החזיר המיניאטורי: מודל חייתי גדול לחקר שתל שבלול
Summary
חזירים מיניאטוריים (מיני חזירים) הם מודל אידיאלי של בעלי חיים גדולים למחקר על שתלי שבלול. ניתן להשתמש בניתוח השתלת שבלול במיני חזירים כדי לספק ראיות ראשוניות לבטיחות ולביצועים הפוטנציאליים של מערכי אלקטרודות חדשניים וגישות ניתוחיות במערכת חיה הדומה לבני אדם.
Abstract
שתלי שבלול (CI) הם השיטה היעילה ביותר לטיפול באנשים עם ליקוי שמיעה תחושתי עצבי חמור עד עמוק. למרות ש-CIs משמשים ברחבי העולם, לא קיים מודל סטנדרטי לחקר האלקטרופיזיולוגיה וההיסטופתולוגיה בחולים או מודלים של בעלי חיים עם CI או להערכת מודלים חדשים של מערכי אלקטרודות. מודל של בעלי חיים גדולים עם מאפייני שבלול דומים לאלה של בני אדם עשוי לספק פלטפורמת מחקר והערכה למערכים מתקדמים ומותאמים לפני השימוש בהם בבני אדם.
לשם כך, הקמנו שיטות CI סטנדרטיות עם מיני חזירים של Bama, שהאנטומיה של האוזן הפנימית שלהם דומה מאוד לזו של בני אדם. מערכים המיועדים לשימוש אנושי הושתלו בשבלול מיני חזירים דרך קרום חלון עגול, ובעקבותיהם נקטה גישה כירורגית שהייתה דומה לזו ששימשה מושתלי CI אנושיים. החדרת המערך לוותה במדידות של פוטנציאל פעולה תרכובת מעורר (ECAP) כדי להעריך את תפקודו של עצב השמיעה. מחקר זה מתאר את הכנת החיה, שלבים כירורגיים, החדרת מערך ומדידות אלקטרופיזיולוגיות תוך ניתוחיות.
התוצאות הצביעו על כך שניתן היה להשתיל בקלות את אותו CI המשמש לבני אדם במיני חזירים באמצעות גישה כירורגית סטנדרטית ולהניב תוצאות אלקטרופיזיולוגיות דומות כפי שנמדדו אצל מושתלי CI אנושיים. מיני-חזירים יכולים להיות מודל רב ערך של בעלי חיים כדי לספק ראיות ראשוניות לבטיחות ולביצועים הפוטנציאליים של מערכי אלקטרודות חדשניים וגישות כירורגיות לפני החלתם על בני אדם.
Introduction
על פי ארגון הבריאות העולמי (WHO), יותר ממיליארד אנשים נמצאים בסיכון לליקוי שמיעה ברחבי העולם, וההערכה היא שעד שנת 2050, אחד מכל ארבעה אנשים יסבול מליקוי שמיעה1. במהלך שני העשורים האחרונים, CIs היו ההתערבות היעילה ביותר עבור אנשים עם ליקוי שמיעה תחושתי עצבי חמור ועמוק קבוע (SNHL). CI ממיר אותות פיזיקליים של קול לאותות ביו-חשמליים הממריצים את נוירוני הגנגליון הספירליים (SGNs), תוך עקיפת תאי השערה. עם הזמן, האינדיקציות עבור CI הורחבו כך שהם כוללים כעת אנשים עם שמיעה שיורית, ליקוי שמיעה חד צדדי, ואנשים מבוגרים מאוד או צעירים 2,3,4. בינתיים, פותחו CIs מושתלים לחלוטין ומערכים מתקדמים5. עם זאת, אין מודל בעל חיים גדול בעל היתכנות כלכלית לחקר האלקטרופיזיולוגיה וההיסטופתולוגיה של האוזן הפנימית באמצעות CI. היעדר מודל גדול של בעלי חיים מגביל את המחקרים המבקשים לשפר את ה-CIs ולהשיג תובנות לגבי ההשפעה האלקטרופיזיולוגית של CIs על האוזן הפנימית.
מספר מודלים של חיות מכרסמים יושמו במחקרי CI, כגון עכבר6, גרביל7, חולדה8 ושרקן9; עם זאת, המאפיינים של מורפולוגיה ותגובות אלקטרופיזיולוגיות שונים מאלה שבבני אדם. מבנים שבלוליים של מודלים של בעלי חיים המשמשים באופן מסורתי למחקרי CI, כגון חתולים, שרקנים ובעלי חיים אחרים, שונים מאוד מאלה של מבני שבלול אנושיים10. למרות שהכנסת מערך נעשתה על חתולים11 וארנבות12, בגלל השבלול הקטן יותר שלהם, הדבר נעשה עם מערכים שלא תוכננו לשימוש בבני אדם. מספר מודלים גדולים של בעלי חיים נחקרו גם עבור CI. הטלאים מתאימים היטב כמודל אימון להשתלת שבלול א-טראומטית, אך גודלו הקטן יותר של השבלול הופך את החדרת המערך המלא לבלתי אפשרית13. פרימטים עשויים להיות בעלי החיים המתאימים ביותר למחקר CI בגלל הדמיון האנטומי שלהם לבני אדם14,15; עם זאת, הבגרות המינית של קופים מתעכבת (4-5 שנים), תקופת ההריון היא עד כ 165 ימים, וכל נקבה בדרך כלל מייצרת רק צאצא אחד בשנה16. סיבות אלה, והעלות היקרה, מעכבות את היישום הנרחב של פרימטים במחקר CI.
לעומת זאת, חזירים מגיעים לבגרות מינית בגיל 5-8 חודשים ויש להם תקופת הריון של ~ 114 ימים, מה שהופך את החזירים לנגישים יותר למחקר CI כמודל חיה גדול16. מקורם של חזירי באמה מיני (מיני חזירים) הוא במין חזיר קטן בסין בשנת 1985, שהרקע הגנטי שלו מובן היטב. הם מאופיינים בגודל קטן אינהרנטי, בגרות מינית מוקדמת, רבייה מהירה וקלות ניהול17. המיני-חזיר הוא מודל אידיאלי לאוטולוגיה ואודיולוגיה בגלל הדמיון שלו לבני אדם במורפולוגיה ובאלקטרופיזיולוגיה18. אורך הסקאלה טימפני של מיני חזיר באמה הוא 38.58 מ”מ, שהוא קרוב לאורך 36 מ”מ בבני אדם10. לשבלול המיני-חזיר יש 3.5 סיבובים, בדומה ל-2.5-3 סיבובים שנראים בבני אדם10. בנוסף למורפולוגיה, האלקטרופיזיולוגיה של מיני חזירי באמה דומה מאוד לזו של בני אדם18. לכן, במחקר הנוכחי, הכנסנו מערכים המיועדים לשימוש אנושי לתוך שבלול מיני-חזיר דרך קרום החלון העגול ונקטנו בגישה כירורגית דומה לזו המשמשת במקבלי CI אנושיים. מדידות ECAP תוך ניתוחיות יושמו כדי להעריך את ההליך. התהליך שאנו מתארים כאן יכול לשמש הן למחקר תרגומי פרה-קליני הקשור ל-CIs והן כפלטפורמה להכשרת תושבים.
Protocol
Representative Results
Discussion
כ-15% מאוכלוסיית העולם סובלים מליקוי שמיעה כלשהו, ומעל 5% סובלים מליקוי שמיעהמשבית 21. מתן CI הוא הטיפול היעיל ביותר הן במבוגרים והן בילדים עם ליקוי שמיעה תחושתי עצבי חמור ועמוק. כמגרה העצבים הגולגולתי המושתל המוצלח הראשון, במהלך 2 העשורים האחרונים, CIs הציעו לאלפי אנשים עם ליקוי שמ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי מענקים מהקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מס ‘81970890) ופרויקט התמריצים לביצועים של מכון המחקר המדעי בצ’ונגצ’ינג (מס ‘19540). אנו מודים לאננדהאן דאנסינג וז’י שו מחברת MED-EL על תמיכתם.
Materials
| 0.5 mm diamond burr | |||
| 1 mm diamond burr | |||
| 5 mm diamond burr | |||
| 2-0 suture silk | |||
| 3D Slicer image computing platform | 3D reconstruction of CT image | ||
| Alcohol | |||
| Bipolar cautery | |||
| Bipolar electrocoagulation | Stop bleeding | ||
| CI designed for human use (CONCERTO FLEX28) | MED-EL | Concerto F28 | |
| Dressing forceps | |||
| ECG monitor | |||
| Iodine tincture | |||
| Isoflurane | 3.6 mL/h | ||
| Laryngoscope | |||
| MAESTRO Software | MED-EL | Measure ECAP responses | |
| Micro forceps | |||
| Micro spatula | |||
| Mosquito forceps | |||
| Needle holder | |||
| Needle probe | |||
| Negative pressure suction device | |||
| Otological surgical instruments | |||
| Respiratory Anesthesia Machine | |||
| Scalpel with blade No. 15 | |||
| Scissors | |||
| Shaver | |||
| Stimulation device (MAX Programming Interface) | MED-EL | Measure ECAP responses | |
| Surgery microscope | Leica | ||
| Surgical drill | |||
| Surgical Power Device | |||
| Tiletamine and zolazepan | 10-15 mg/kg | ||
| Tissue forceps | |||
| Trachea cannula |
References
- World report on hearing. World Health Organization Available from: https://www.who.int/publications/i/item/world-report-on-hearing (2021)
- Lee, S. Y., et al. Natural course of residual hearing preservation with a slim, modiolar cochlear implant electrode array. American Journal of Otolaryngology. 43 (2), 103382 (2022).
- Lorens, A., et al. Binaural advantages in using a cochlear implant for adults with profound unilateral hearing loss. Acta Oto-Laryngologica. 139 (2), 153-161 (2019).
- Lally, J. W., Adams, J. K., Wilkerson, B. J. The use of cochlear implantation in the elderly. Current Opinion in Otolaryngology & Head and Neck Surgery. 27 (5), 387-391 (2019).
- Rhodes, R. M., Tsai Do, B. S. Future of implantable auditory devices. Otolaryngologic Clinics of North America. 52 (2), 363-378 (2019).
- Colesa, D. J., et al. Development of a chronically-implanted mouse model for studies of cochlear health and implant function. Hearing Research. 404, 108216 (2021).
- Toulemonde, P., et al. Evaluation of the efficacy of dexamethasone-eluting electrode array on the post-implant cochlear fibrotic reaction by three-dimensional immunofluorescence analysis in Mongolian gerbil cochlea. Journal of Clinic Medicine. 10 (15), 3315 (2021).
- King, J., Shehu, I., Roland, J. T., Svirsky, M. A., Froemke, R. C. A physiological and behavioral system for hearing restoration with cochlear implants. Journal of Neurophysiology. 116 (2), 844-858 (2016).
- Chen, M., Min, S., Zhang, C., Hu, X., Li, S. Using extracochlear multichannel electrical stimulation to relieve tinnitus and reverse tinnitus-related auditory-somatosensory plasticity in the cochlear nucleus. Neuromodulation. , (2021).
- Yi, H., et al. Miniature pigs: A large animal model of cochlear implantation. American Journal of Translational Research. 8 (12), 5494-5502 (2016).
- Vollmer, M., Beitel, R. E., Schreiner, C. E., Leake, P. A. Passive stimulation and behavioral training differentially transform temporal processing in the inferior colliculus and primary auditory cortex. Journal of Neurophysiology. 117 (1), 47-64 (2017).
- Sunwoo, W., Delgutte, B., Chung, Y. Chronic bilateral cochlear implant stimulation partially restores neural binaural sensitivity in neonatally-deaf rabbits. The Journal of Neuroscience. 41 (16), 3651-3664 (2021).
- Mantokoudis, G., et al. Lamb temporal bone as a surgical training model of round window cochlear implant electrode insertion. Otology & Neurotology. 37 (1), 52-56 (2016).
- de Abajo, J., et al. Effects of implantation and reimplantation of cochlear implant electrodes in an in vivo animal experimental model (Macaca fascicularis). Ear and Hearing. 38 (1), 57-68 (2017).
- Johnson, L. A., Della Santina, C. C., Wang, X. Temporal bone characterization and cochlear implant feasibility in the common marmoset (Callithrix jacchus). Hearing Research. 290 (1-2), 37-44 (2012).
- Yin, P., Li, S., Li, X. J., Yang, W. New pathogenic insights from large animal models of neurodegenerative diseases. Protein & Cell. , (2022).
- Yu, S. M., Wang, C. W., Zhao, D. M., Zhang, Q. C., Pei, D. Z. Raising and pathogen purification of Chinese experimental mini-pig. Laboratory Animal Science and Administration. 20, 44-46 (2003).
- Guo, W., et al. The morphology and electrophysiology of the cochlea of the miniature pig. The Anatomical Record. 298 (3), 494-500 (2015).
- Christov, F., et al. Electric compound action potentials (ECAPs) and impedances in an open and closed operative site during cochlear implantation. Cochlear Implants International. 20 (1), 23-30 (2019).
- Zhong, L. L., et al. Inner ear structure of miniature pigs measured by multi-planar reconstruction techniques. American Journal of Translational Research. 10 (3), 709-717 (2018).
- The Lancet. Hearing loss: An important global health concern. The Lancet. 387 (10036), 2351 (2016).
- Guo, R., et al. Cochlear implant-based electric-acoustic stimulation modulates neural stem cell-derived neural regeneration. Journal of Materials Chemistry B. 9 (37), 7793-7804 (2021).
- Gabrielpillai, J., Geissler, C., Stock, B., Stöver, T., Diensthuber, M. Growth hormone promotes neurite growth of spiral ganglion neurons. Neuroreport. 29 (8), 637-642 (2018).
- Li, H., et al. Guided growth of auditory neurons: Bioactive particles towards gapless neural – electrode interface. Biomaterials. 122, 1-9 (2017).
- Wille, I., et al. Development of neuronal guidance fibers for stimulating electrodes: Basic construction and delivery of a growth factor. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 10, 776890 (2022).
