השתלת מערך אלקטרוקורטיקוגרפיה רכה תת-דוראלית (ECoG) ורישום קליפת המוח לטווח ארוך במיני-חזירים
31 במרץ 2023
כאן, אנו מציגים שיטה להערכת ביצועים ובטיחות ארוכת טווח של מערכי אלקטרודות תת-דוראליות רכות במודל מיני-חזיר, המתארת שיטות וכלי ניתוח, דימות תהודה מגנטית לאחר הניתוח, אלקטרופיזיולוגיה של קליפת המוח השמיעתית, תכונות אלקטרוכימיות של השתל ואימונוכימיה לאחר המוות.
מודל זה יכול להפוך לסטנדרט לאימות בטיחות ויעילות עבור התקנים כרוניים בקליפת המוח במונחים של תאימות ביולוגית, רזולוציה ואיכות אות. הנוהל שלנו מתאר שיטה ניתנת לשחזור ומדרגית לביצוע מעקב ארוך טווח אחר בטיחות ויעילות המכשיר. זה כולל ניטור עצבי לאורך זמן, כמו גם in vivo והדמיית ex vivo.
השיטה שלנו תסייע בפיתוח של neuroprosthesis קליפת המוח חושית ומוטורית. זהו כלי להבנת פעילות הרשתות בקליפת המוח בקנה מידה גדול. שיטה זו יכולה לשמש במדעי המוח הבסיסיים כדי לחקור קישוריות תפקודית על פני אזורים שונים בקליפת המוח.
יכול להיות מיושם גם על מודלים אחרים של בעלי חיים גדולים. הגישה הכירורגית זקוקה לתרגול מסוים, אשר ניתן לרכוש על גופות או ניסויים חריפים תחילה. לאחר מכן המדידות צריכות להיות פשוטות למדי.
כדי להתחיל, לחתוך את העור של החיה מורדמת עם סכין אזמל לאורך קו האמצע. יש להפריד את השריר והפריאוסטאום מהעצם באמצעות מפזר פטל ולהניח לגישה אופטימלית. כדי לבצע את craniotomy, לקדוח את קווי המתאר באמצעות מקדח עצם עם חיתוך עגול, תוך התחשבות בעובי הגולגולת כפי שנמדד על רנטגן.
השקו את מיקום הקידוח בתמיסת מלח כדי למנוע התחממות יתר של העצם. קודחים בזהירות את קווי המתאר בצורה הומוגנית עד שמגיעים לדורה מאטר. בפריצת הדרך הראשונה, סיימו לקדוח את המתווה עד שהוא דליל מספיק כדי כמעט לפרוץ.
לאחר מכן השתמש במרית שטוחה כדי לשבור את דש העצם בחתיכה אחת באמצעות קצה הקרניוטומיה כמנוף. כדי לבצע דורוטומיה, באמצעות המחט מערכה של שישה תפרים, ניקבו בזהירות והרימו את הדורה מאטר בקצה הקדמי או האחורי של הקרניוטומיה, באמצע הדרך בין הצד המדיאלי לצדדי, וצרו התחלה של חתך עם סכין הדקירה. לאחר מכן באמצעות מרית שטוחה קטנה המוחדרת לחלל התת-דוראלי, ומשמשת כבסיס חיתוך להגנה על קליפת המוח.
צור חריץ קדמי בדורה מאטר על ידי התקדמות בו זמנית עם שני הכלים. ודא שהחריץ גדול מעט מרוחב השתל. הניחו את השתל מעל חריץ הדורה מאטר ובעזרת מלקחיים קטנים הכניסו את המכשיר באופן תת-דוראלי על ידי החלקתו ברצף על כל קצה.
החזיקו בזהירות את קצה הכן של המכשיר והתקדמו עם השתל על מנת לא ליצור מתח המעכב את החדרתו. הפסק את ההכנסה כאשר קצה המחבר ממוקם על גבי החריץ. כדי לאבטח את השתל במקומו, הניחו גשר טיטניום מעל הכבל לאחר קצה הקרניוטומיה או בכנפי העגינה, והדקו אותו באמצעות בורג טיטניום אחד או שניים באמצעות המברג המתאים.
לאחר מכן, תפרו את הדורה מאטר בזהירות סביב כבל השתל. בעזרת תפר תלת או אחורי ומחזיק מחט קטן, מקרבים את שני קצוות הדורה מאטר זה לזה ככל האפשר מבלי לקרוע את הקרום הדק עם חוט התפר. כדי לבצע מיקום דש עצם, קבע גשר טיטניום בחלק הקדמי והאחורי של כל דש עצם באמצעות בורג טיטניום.
הברג את קצה גשרי הטיטניום אל הגולגולת. לאחר מכן, תכננו את כיוון לוחית כף הרגל כדי להבטיח שניתן יהיה להבריג את כל הרגליים לתוך הגולגולת. לאחר מכן אבטחו את לוחית הרגל על ידי הברגת ברגי הטיטניום של לוחית כף הרגל עד שהיא יציבה במקומה.
לאחר מכן הבריגו את הכן על לוחית הרגל. צור תפרים תת עוריים עם חוט תפר ארבע אה שאינו ניתן לספיגה עם תפרים במרחק של שלושה מילימטרים זה מזה. התחילו הרחק מהכן והתקדמו לקראתו משני צידי החתך.
לאחר מכן, סגור את שכבת העור על ידי תפירת העור באמצעות חוט תפר שאינו ניתן לספיגה חוזרת. עם תפרים במרחק של חמישה מילימטרים זה מזה. התחילו הרחק מהכן והתקדמו לקראתו משני צידי החתך.
דאגו להשיג מיקום רקמות טוב בין שני דשי העור וקרוב לקצה הכן כדי למנוע ריק. לאחר חיבור במת הראש האלחוטית לחיה המושגת על ידי החזקת בעל החיים או הסחת דעתו על ידי האכלה עם פינוקים, רשמו את אותות המוח הערים. הקפד למקם את אנטנת המגבר ואת הרמקולים החיצוניים קרוב לכלוב החזיר בזמן הקלטת האותות.
ניתן למפות פעילות בסיסית ללא גירויי קול ופוטנציאלים מעוררים שמיעתיים בתגובה לגירוי פרץ של 800 הרץ על מערך האלקטרודות. הפוטנציאל השמיעתי המעורר בתעלת אלקטרודה בודדת מוצג לאורך זמן עם חצים המסמנים את תגובת ההפעלה והפעילות הבסיסית מוצגת כהשוואה. הדמיית In vivo בוצעה תוך ניתוחית ולאחר הניתוח כדי להעריך את מצב המוח ואת מיקום השתל.
צילום רנטגן תוך ניתוחי מאומת מיקום השתל, וללא קיפול כפי שנצפה על ידי מיקום הסמן הרדיופאקי. פני השטח של המוח שלמים כפי שניתן לראות ב- MRI שלאחר הניתוח. באופן כללי, עם השתל ומערכת הדום הזו, הדמיה מוחית שלמה אפשרית במהלך תקופת ההשתלה כדי לראות מבנים אנטומיים או נוכחות של נוזלים ודם סביב השתל.
בנוסף, אלקטרודות קליניות משמשות כמשווים במחקר זה, אך לא ניתן לבצע הדמיה ב- MRI בשל חששות חימום ובטיחות ודורשות סריקות CT. הצינור המוצג מאפשר חילוץ מוח שלם וחתך כדי לדמיין המיספרות שלמות. ההדמיה של כל קטע הרקמה הראתה שכבת נוירון ברורה.
התאים מוגדרים בבירור בהדמיה קונפוקלית של פי 20 ומאפשרים חקירה עדינה של סמנים דלקתיים. אפיון אלקטרוכימי של המכשירים שימש לחילוץ מודולוס העכבה והפאזה במבחנה, אשר היה במעקב לאורך זמן בקילוהרץ אחד במהלך ששת חודשי ההשתלה. חשוב לבחור בקפידה את גיל וגודל בעל החיים כדי למנוע פתיחת סינוסים במהלך הניתוח.
זה יפגע בניסוי הכרוני. חשוב להימנע מדימום בעת גישה לדורה מאטר או החדרת השתלים. זה ימנע סיבוכים נוספים ותגובה דלקתית.
ברגע שהמודל הזה קיים, ניתן להשתמש בו כדי לבצע אלקטרופיזיולוגיה של התנהגות חופשית במיני חזירים ולרשום פעילות מאזורי עניין בקליפת המוח. שיטה זו יכולה להיות מיושמת באיסוף נתוני בטיחות ביולוגית להגשת ניסוי קליני בעת פיתוח נוירותותבות חדשות שיתורגמו לבני אדם.
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה להערכת הביצועים והבטיחות לטווח ארוך של מערכי אלקטרודות רכות תת-קשות (subdural) במודל של חזיר מיניאטורי. הוא מפרט את הגישה הכירורגית, את הדימות הפוסט-אופרטיבי, ואת ההערכה האלקטרופיזיולוגית והאלקטרוכימית של השתל.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- הנדסה ביו-רפואית
- אלקטרופיזיולוגיה
רקע
- הצורך במכשירים קורטיקליים כרוניים במחקר במדעי העצבים.
- חשיבותן של תאימות ביולוגית ואיכות אות בשתלים.
- אתגרים בניטור ארוך טווח של מכשירים עצביים.
- שימוש במודלים של בעלי חיים גדולים לבדיקת מכשירים.
מטרת המחקר
- לבסס שיטה הדירה להערכת בטיחות ויעילות לטווח ארוך של התקנים קורטיקליים.
- להקל על ניטור ודימוי עצבי לאורך זמן.
- לתרום לפיתוח של פרוטזות עצביות לתפקודים תחושתיים ומוטוריים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- השתלה כירורגית של מערכי אלקטרודות רכות תת-קשות (subdural) במיני-חזירים.
- דימות תהודה מגנטית (MRI) לאחר הניתוח להערכת השתלים.
- הקלטות אלקטרופיזיולוגיות של פעילות קליפת המוח השמיעתית.
- אפיון אלקטרוכימי של השתלים לאורך זמן.
תוצאות עיקריות
- השתלה מוצלחת וניטור של אותות מוחיים לאורך זמן.
- דימות in vivo אישר מיקום תקין של השתל ושלמות המוח.
- התכונות האלקטרוכימיות של ההתקנים היו יציבות במשך שישה חודשים.
- זיהוי ברור של שכבות נוירונליות ומסמני דלקת באמצעות דימות.
מסקנות
- שיטה זו מספקת מסגרת חסונה להערכה של התקנים קורטיקליים כרוניים.
- היא משפרת את ההבנה של פעילות רשתות קורטיקליות רחבות היקף.
- ניתן להתאים את הגישה למודלים אחרים של בעלי חיים גדולים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הקלטה קורטיקלית לטווח ארוך במיני-חזירים באמצעות מערכי ECoG רכים מתחת לקושת (subdural) נותנת מענה לפער תרגומי קריטי עבור תיקוף של התקני נוירופרוטזה. מודל זה מאפשר הערכה פרה-קלינית חסונה של בטיחות המכשיר, תאימות ביולוגית ונאמנות האות, ובכך תומך בביטחון ניבוי ליישום בבני אדם. גישה זו מחזקת את קבלת ההחלטות בנוגע לתיק מוצרים בממשק שבין גילוי התקנים לקידום רגולטורי.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה פונקציונלית של פעילות רשתות קורטיקליות במודל של בעל חיים גדול.
- תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים עבור תכנוני נוירופרוטזות חדשניים לפני יישום קליני.
- מספק מדדי ייחוס כמותיים לתגובות עצביות המושרות על ידי המכשיר ולשילוב רקמתי.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- מאפשר הקלטות אלקטרופיזיולוגיות סטנדרטיות הניתנות לשחזור לאורך תקופות ממושכות.
- מספק תוצאות כמותיות ברזולוציה גבוהה עבור מדדי ביצועים ובטיחות של המכשיר.
- מכין מודלים חיים מתוקפים לצורך סריקת מכשירים ומחקרים השוואתיים בהמשך.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאים נתונים פרה-קליניים של בטיחות ויעילות לציפיות הרגולטוריות עבור ניסויים בבני אדם בתחום הפרוטזות העצביות.
- מאפשר ניטור אורך של אינטראקציות בין המכשיר לרקמה ותגובות דלקתיות.
- תומך בקידום מותאם-סיכון של מועמדים למכשירים קורטיקליים לעבר הערכה קלינית.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
שיטה זו משתלבת ברצף התיקוף הפרה-קליני, ומגשרת בין גילוי התקן, סריקה פונקציונלית והערכת בטיחות תרגומית.
- ביולוגיה של התגליות: מספקת פלטפורמה לבדיקה מונחית-השערות של השפעת התקן על התפקוד והקישוריות הקורטיקליים.
- סריקה: מציעה פלטים אלקטרופיזיולוגיים ואלקטרוכימיים כמותיים וניתנים לשחזור לצורך השוואת התקנים.
- אנליטיקה: מאפשרת מעקב אורך (longitudinal) אחר עכבה (impedance) וניתוח רקמה מבוסס דימוי כדי להנחות את אופטימיזציית ההתקן.
- מחקר תרגומי: מספקת נתונים על בטיחות ביולוגית ויעילות הנדרשים להגשות רגולטוריות ולמוכנות לניסויים קליניים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת מודל סקילבילי וניתן להתאמה עבור תהליכי פיתוח מגוונים של התקנים קורטיקליים ונוירופרוסתטיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בבטיחות המכשיר, בתפקודו ובשילובו.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של תהליכי השתלה כרונית וניטור לצורך הדירות ויכולת הרחבה.
- ערך אסטרטגי: מספק מידע לקבלת החלטות לגבי המשך או הפסקת הפיתוח (go/no-go) ומפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים עבור פורטפוליו של מכשירים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף וקידום של נכסי נוירוטכנולוגיה בהתאמה לרמת הסיכון.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות כירורגית בנוירוכירורגיה של בעלי חיים גדולים והשתלה כרונית של התקנים.
- דורש גישה לתשתיות של MRI, רנטגן והקלטה אלקטרופיזיולוגית.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולים כירורגיים, של דימות ושל ניתוח.
- ניתן להתאמה למודלים אחרים של בעלי חיים גדולים עם שינויים פרוצדורליים לפי הצורך.
- בחירה קפדנית של בעלי החיים וניהול פרי-אופרטיבי הם קריטיים כדי למנוע סיבוכים שמטשטשים את התוצאות.
