방법 논문

깨어 있는 쥐의 복부 미주 신경 자극 및 기록 연구를 위한 이식 수술

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DOI:

10.3791/65896

⸱

2024년 1월 19일

 ,  , 
1Bionics Institute, 2Medical Bionics Department, University of Melbourne, 3Department of Otolaryngology, University of Melbourne

이 논문에서

요약

본 프로토콜은 이식된 장치를 이용한 만성 전기생리학 검사 및 자극 방법과 함께 쥐의 복부 미주신경에 전극 어레이를 이식하는 수술 기법을 설명합니다.

초록

복부 미주 신경 자극 (VNS)은 쥐의 미주 신경의 횡격막하 가지에 적용될 수 있습니다. 해부학적 위치로 인해 일반적으로 경추 VNS와 관련된 호흡기 및 심장 off-target 영향이 없습니다. 호흡기 및 심장 off-target effect가 없다는 것은 자궁경부 VNS에서 일반적으로 경험하는 부작용을 줄이기 위해 자극 강도를 낮출 필요가 없다는 것을 의미합니다. 염증성 장 질환, 류마티스 관절염 및 제2형 당뇨병의 쥐 모델에서 혈당 감소의 쥐 모델에서 복부 VNS의 항염증 효과를 입증하는 최근 연구는 거의 없습니다. 쥐는 미주 신경의 잘 확립된 해부학, 다루기 쉬운 신경의 큰 크기, 많은 질병 모델의 가용성으로 인해 이 기술의 잠재력을 탐구할 수 있는 훌륭한 모델입니다. 여기에서는 쥐의 복부 VNS 전극 어레이 및 수술 프로토콜을 세척 및 살균하는 방법에 대해 설명합니다. 또한 유발된 복합 활동 전위를 기록하여 초역치 자극을 확인하는 데 필요한 기술을 설명합니다. 복부 VNS는 염증성 질환을 포함한 다양한 질환에 대해 선택적이고 효과적인 치료를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 이 응용 분야는 자궁경부 VNS와 유사하게 확장될 것으로 예상됩니다.

서론

목의 자궁경부 부위에 전달되는 미주신경자극술(VNS)은 난치성 간질, 난치성 우울증 및 허혈성 뇌졸중 후 재활에 대해 미국 식품의약국(FDA)이 승인한 치료제이며, 유럽에서 심부전에 대해 유럽연합 집행위원회(European Commission)가 승인한 치료법입니다2. 비침습적 자궁경부 VNS는 편두통 및 두통에 대해 FDA 승인을 받았습니다1. 최근 임상시험에서 크론병3, 류마티스 관절염 4,5 및 내당능 장애 및 제2형 당뇨병 6,7과 같은 다른 적응증에서 VNS의 효능이 입증됨에 따라 그 적용이 확대될 것으로 예상됩니다. 유망하지만 자궁 경부 VNS는 폐와 심장을 신경 자극하는 신경 섬유의 표적을 벗어난 활성화로 인해 서맥과 무호흡을 유발할 수 있습니다 8,9,10. 기침, 통증, 음성 변화, 두통 및 무호흡-저호흡 지수 증가와 같은 부작용은 자궁경부 VNS11,12를 투여받은 환자에서 일반적으로 보고된다. 자극 강도의 감소는 이러한 부작용을 줄이기 위한 일반적인 전략이지만, 감소된 전하(charge reduction)는 치료 섬유를 활성화하지 못함으로써 VNS 요법의 효능을 제한할 수 있다11. 이 가설을 뒷받침하는 것으로, 뇌전증 치료를 위해 고강도 자극을 받은 환자의 반응률은 저강도 자극을 받은 환자보다 높았다13.

복부 VNS는 간 및 셀리악 분지 위의 횡격막하 미주신경에 적용된다(14)(그림 1). 우리의 이전 연구는 쥐에서 복부 VNS가 자궁 경부 VNS10과 관련된 심장 또는 호흡기 부작용을 일으키지 않는다는 것을 입증했다. 이전 연구에서는 염증성 장 질환 및 류마티스 관절염 10,15의 쥐 모델에서 복부 VNS의 항염증 효과와 제2형 당뇨병16의 쥐 모델에서 혈당 감소를 입증했다. 최근 복부 VNS 기술은 염증성 장 질환(NCT05469607) 치료를 위한 최초의 인간 임상 시험으로 전환되었습니다.

복부 미주신경에 자극을 전달하는 데 사용되는 말초 신경 전극 어레이(WO201909502017)는 쥐에서 사용하기 위해 맞춤 개발되었으며, 의료용 실리콘 엘라스토머 커프, 어레이를 식도에 고정하기 위한 봉합 탭, 리드선 및 요추 부위에 장착되는 경피적 커넥터로 지지되는 4.7mm 간격으로 배치된 2-3개의 백금 전극 쌍으로 구성됩니다(그림 2). 리드선은 동물의 왼쪽 피부 아래에 터널을 뚫습니다. 다중 전극 쌍 설계는 신경의 전기 자극을 허용하고 전기적으로 유발된 복합 활동 전위(ECAP)를 기록하여 임플란트가 신경에 올바르게 배치되고 초역치 자극 강도를 확인합니다. 복부 VNS는10,15,16개월 동안 자유롭게 움직이는 쥐에서 잘 견뎌냅니다. 이를 통해 질병 모델에 대한 효능을 평가할 수 있습니다.

이 원고는 다양한 질병 모델에서 복부 VNS의 효능을 연구하기 위해 깨어 있는 쥐에서 전극 어레이 멸균, 복부 미주 신경 이식 수술, 만성 자극 및 ECAP의 기록 방법을 설명합니다. 이러한 방법은 원래 염증성 장 질환(10 )의 랫트 모델에서 복부 VNS의 효능을 연구하기 위해 개발되었으며, 류마티스 관절염(15 ) 및 당뇨병(16)의 랫트 모델에도 성공적으로 사용되었다.

프로토콜

동물과 관련된 모든 시술은 세인트 빈센트 병원(멜버른)의 동물 윤리 위원회의 승인을 받았으며 과학적 목적을 위한 동물의 관리 및 사용에 관한 호주 규정(호주 국립 보건 및 의료 연구 위원회) 및 동물 학대 방지(1986) 법을 준수했습니다. 총 24마리의 암컷 Dark Agouti 쥐(생후 8-9주)가 이 연구에 사용되었습니다. 실험 그룹은 다음과 같이 구성되었습니다: 콜라겐 주사 또는 VNS 임플란트를 받지 않은 정상 코호트(n=8); 임플란트 및 콜라겐 주사를 받은 자극되지 않은 질병 코호트(n = 8)(전기생리학적 검사 수행 없음); 및 임플란트, 콜라겐 주사, 전기 생리학적 검사 및 VNS 요법을 받은 자극 질환 코호트(n = 8). 이식 수술은 콜라겐 주입 5일 전에 이루어졌으며, VNS 요법의 습관화는 콜라겐 주입 4일 후에 시작되어 7일에 걸쳐 이루어졌다. VNS 요법은 콜라겐 주사 후 11일에서 17일(포함)까지 적용하였다15. 자극 질환 코호트의 경우, 마취 하에 착상 수술 직후, 콜라겐 주입 당일, 콜라겐 주입 10일 후, 종결 당일(콜라겐 주입 후 17일)에 전기생리학적 검사를 실시하였다.

1. 전극 어레이의 초음파 처리 및 살균

  1. 초음파 세척기를 80kHz의 주파수로 설정하고 초음파 탱크에 수돗물을 채 웁니다. 깨끗한 플라스틱 용기의 세척액에 전극 어레이를 담그고 초음파 탱크에 넣습니다.
    참고 : 각 단계에 사용되는 세척액 및 초음파 처리 시간은 표 1에 요약되어 있습니다. 각 단계에 깨끗한 용기를 사용하십시오.
  2. 증류수에 0.5 % 액체 세척액으로 초음파 처리 된 깨끗한 집게를 사용하여 초음파 처리 된 전극 어레이를 멸균 백에 넣고 증류수로 헹굽니다. 최대 온도 130°C에서 45분 동안 전극 어레이를 고압멸균하고 깨끗한 벤치에서 건조시킵니다.

2. 복부 미주신경에 전극 배열의 이식

참고: 이 연구에서는 암컷 어두운 아구티 쥐(생후 8-9주)를 사용했습니다.15. 우리는 또한 이 프로토콜을 성공적으로 사용하여 성인 수컷 Sprague-Dawley 쥐(생후 10-14주)를 만성적으로 이식했습니다10,16. 수술은 무균 상태에서 진행되며 모든 기구, 전극 어레이 및 거즈 및 면봉과 같은 소모품은 고압멸균에 의해 멸균됩니다.

  1. 유도 챔버에서 쥐를 마취하여 3% 이소플루란과 1L/min 산소를 사용합니다. 발가락 꼬집음에 대한 페달 반사가 없으면 수술 테이블에 온도 조절 장치가 있는 열 매트로 쥐를 옮기고 코에 이소플루란 마스크를 놓습니다.
  2. 수술 내내 호흡수와 직장 온도를 모니터링하고 이소플루란 수치를 1.5%에서 2.5% 사이로 조정하여 호흡수를 분당 40회에서 62회 사이로 유지합니다. 필요한 경우 직장 온도 범위를 35.9 - 37.5 °C 사이로 유지하기 위해 열 매트 설정을 조정합니다.
  3. 수술 시작 전에 25G 바늘이 있는 1mL 주사기(카프로펜 5mg/kg 및 부프레노르핀 0.03mg/kg)를 사용하여 진통 전 투약 투여합니다.
  4. 자이푸스 돌기에서 흉곽 끝까지 복부 정중선을 따라 있는 부분, 등쪽 정중선을 따라 등의 요추 측면, 앞다리와 뒷다리 사이의 몸 왼쪽을 포함하여 절개 부위 주변을 넉넉하게 면도하여 배열의 피하 터널링을 허용합니다.
  5. 베타딘과 알코올을 번갈아 가며 원을 그리며 세 번 수술 부위를 청소하고 동물 위에 수술용 드레이프를 씌웁니다. 부피바카인(1-2mg/kg)을 등쪽과 복부 절개 부위에 25G 바늘로 1mL 주사기를 사용하여 피하 투여합니다.
  6. 동물을 복부 누운 곳에 놓고 메스 칼날을 사용하여 경피적 받침대가 고정될 뒤쪽을 2cm 길이로 절개합니다.
  7. 쥐를 등쪽 누움으로 돌리고 메스 칼날을 사용하여 xyphoid 돌기 바로 아래의 정중선을 따라 피부를 3cm 절개합니다. 절개 부위 근처의 피부를 잡고 절개 가위를 사용하여 절개 부위 주변의 근육층에서 피부층을 뭉툭하게 절개합니다.
  8. 받침대에서 착상 부위까지 배열의 피하 터널링을 허용하려면 동물을 오른쪽에 놓고 복부 절개부에서 지혈제를 삽입하고 등 절개 부위를 향해 뭉툭하게 절개합니다. 니들 캡의 테두리를 잘라내고 전극 어레이를 삽입하여 운송 중에 보호합니다(그림 1B). 손(멸균 장갑 착용)을 사용하여 복부 절개 쪽으로 피부 아래의 전극 어레이를 터널링합니다.
  9. 식도와 미주 신경에 접근하려면 동물을 다시 등쪽 누운 상태로 눕히십시오. 사이포이드 돌기 아래의 정중선을 따라 근육층을 3cm 절개하여 간 전체를 노출시킬 수 있을 만큼 크게 합니다. 이 단계에서 간을 손상시키지 마십시오.
  10. 근육층을 측면(동물의 왼쪽)에서 주요 복부 절개부까지 더 작게 절개(1cm 미만)합니다. 어레이를 복강에 삽입하기 위해 2.8단계에서 사용한 니들 캡을 사용하여 이 작은 절개를 통해 전극 어레이를 터널링합니다.
    참고: 이 단계는 주 절개 부위에 가해지는 장력을 줄이고 봉합사가 파열될 위험을 줄입니다.
  11. 피부와 근육층을 수축시켜 복강을 열린 상태로 유지합니다. 화장솜 끝과 멸균 식염수에 적신 거즈를 사용하여 조직을 촉촉하게 유지하십시오.
  12. Vannas 가위를 사용하여 간 주위의 결합 조직을 자르고 보호를 위해 식염수에 적신 작은 거즈 조각 위에 견인기를 올려 간을 부드럽게 수축시킵니다. 식도와 위 사이에 견인기를 배치하여 식도와 미주 신경을 곧게 펴고 위를 부드럽게 수축시킵니다.
    알림: 견인기는 낚싯바늘의 뾰족한 끝을 둥글게 하여 만듭니다.
  13. 식도의 복부 표면을 노출시킨 후 복부 미주신경과 간신경, 셀리악신경 및 두 개의 위 가지를 포함한 하위 가지를 확인합니다(그림 1D).
  14. 가는 집게와 Vannas 가위를 사용하여 복부 미주 신경을 식도에 고정하는 결합 조직을 자르고 간가지와 셀리악 가지 바로 위에서 횡격막 쪽으로 신경의 길이를 절개합니다. 신경을 찢거나 늘리거나 꼬집지 않도록 하십시오. 신경 옆에 전극 어레이를 배치하여 어레이에 맞도록 충분한 길이의 신경이 결합 조직에서 분리되었는지 확인합니다.
  15. 신경 주위의 결합 조직이 제거되면 신경 아래 어레이 커프의 전극 쪽에 실크 봉합사(7-0)를 통과시킵니다. 어레이의 커프를 열고 신경을 어레이 채널에 조심스럽게 넣습니다.
  16. 신경의 전체 길이가 어레이 채널 내부에 있는지 확인하십시오. 커프 주위의 봉합사를 함께 묶어 커프를 단단히 닫아 신경이 채널 밖으로 미끄러지지 않도록 합니다. 봉합사를 다듬습니다.
  17. 7-0 실크 봉합사를 사용하여 어레이의 탭을 식도에 봉합하여 어레이를 제자리에 고정하고 꼬이는 것을 방지합니다. 미주 신경의 다른 가지를 손상시키거나 식도 평활근에 바늘을 너무 깊숙이 삽입하지 마십시오.
  18. 견인기를 부드럽게 제거하고 복강에서 모든 거즈가 제거되었는지 확인합니다. 복강에 1mL 주사기를 사용하여 1-2mL의 따뜻한 멸균 식염수를 투여하고 간을 올바른 위치로 재배치합니다.
  19. 간단한 러닝 봉합사 기술을 사용하여 3-0 실크 봉합사로 근육층을 닫고 양쪽 끝에서 최소 3번 던지기로 안전한 사각형 매듭을 만듭니다. 사이푸스 돌기의 탈장/돌출과 같은 합병증을 방지하기 위해 서로 밀접하게 (약 3mm 간격으로) 공간을 꿰맸습니다.
  20. 봉합사를 사용하여 복막의 절개와 근육층의 절개를 함께 봉합하여 조직 유착 가능성을 줄입니다.
  21. 흡수성 봉합사(Vicryl 4-0)를 사용하여 피부 절개 부위를 봉합합니다. 동물이 봉합사를 제거하지 못하도록 달리는 매립형 수직 매트리스 봉합사 또는 달리는 매립형 피부 봉합사와 같은 매립 봉합 기술을 사용하십시오.
  22. 동물을 복부 누운 상태로 돌리고 가위를 사용하여 등쪽 절개 부위를 4-5cm로 확장하고 근육과 피부층 사이를 무뚝뚝하게 절개하여 경피적 커넥터의 커넥터 베이스가 근육층에 평평하게 놓일 수 있도록 합니다.
  23. 실크 3-0 봉합사를 사용하여 커넥터 베이스 주위에 6-8개의 간단한 단속 봉합사를 만들어 아래 근육층에 고정합니다. 수평 매트리스 봉합사 기술을 사용하여 실크 3-0 봉합사로 피부 절개 부위를 봉합하고 최소 3회 던지기로 안전한 사각형 매듭을 보장합니다.
    참고: 이 단계에서 꼰 실크 봉합사는 취급 용이성과 모노필라멘트 봉합사에 비해 더 안전한 매듭을 만들 수 있는 능력 때문에 선호됩니다.
  24. 수술이 끝나면 Hartmann의 용액을 피하 투여합니다(1mL/100g/h). 이소플루란을 끄고 산소(1.5L/min)를 가동하는 동안 동물이 열 매트에서 회복하도록 합니다. 쥐가 의식이 있고 완전히 움직이면 마취에서 완전히 회복될 때까지 열 패드에 놓인 쥐를 집 우리로 되돌립니다.
  25. 동물이 이소플루란에서 회복되는 것을 면밀히 관찰하고 동물이 음식과 음료에 접근할 수 있는지 확인하십시오. 다음 이틀 동안 통증 완화를 위해 수술 후 진통제(카프로펜 5mg/kg, 매일)를 피하 투여합니다. 하루에 최소 2번 동물을 모니터링하고 배변의 증거, 털의 질, 활동 수준 및 수술 상처로 인한 부기 또는 분비물의 존재를 확인합니다.
  26. 동물의 체중을 기록하고 드물게 동물이 10% 이상 감소하는 경우 집중 치료를 시작합니다. 집중 치료에는 매일 수액(Hartmann's solution, 2x 10mL)을 피하 투여하고, 신선한 야채 및 식이 젤 보충제와 같은 추가 음식을 제공하고, 추가 보온을 위해 온도 조절 장치가 있는 열 패드에 케이지의 절반을 놓는 것이 포함됩니다. 동물이 회복될 때까지 모니터링 빈도를 늘립니다. 필요한 경우 Grimace 척도에 따라 진통제(카프로펜 5mg/kg, SQ, 매일) 투여를 계속합니다.

3. 전기생리학적 검사

알림: 유발된 복합 활동 전위(ECAP)를 기록하면 미주 신경에 전극 배열이 적절하게 배치되었음을 확인할 수 있습니다. 또한, 상술한 전극 어레이를 이용한 ECAP의 기록은 미주신경 C-섬유 및 초역치 VNS(10,15)의 전기적 활성화를 확인할 수 있는 가능성을 제공한다.

  1. ECAP를 기록하기 전에 전극의 공통 접지 임피던스를 측정하여 무결성을 평가하고 전선의 개방 또는 단락을 감지합니다. 생체 내에서 기능하는 복부 미주 신경 전극은 4 - 20 kΩ 사이의 임피던스 값을 가져야 합니다.
  2. 마취 상태, 즉 수술 직후 또는 깨어 있고 자유롭게 움직이는 동물을 실험합니다. 수술 후 최소 2-3일 후에 각성 검사를 실시하여 수술 피부 상처가 치유되고 안정화될 수 있도록 합니다. 재료 표에 나열된 맞춤형 자극기, 데이터 수집 장치, 절연 차동 증폭기 및 데이터 수집 및 분석 소프트웨어를 포함하여 임피던스 및 전기 생리학 테스트에 필요한 장비를 수집합니다.
  3. 필요한 경우 동물을 수건으로 감싸고 케이블을 뒤쪽 경피 커넥터에 연결하고 케이블의 다른 쪽 끝을 자극기에 연결합니다. 전극의 공통 접지 임피던스를 테스트하려면 관심 전극과 어레이의 다른 모든 전극 사이에 바이페이직 전류 펄스(위상당 100μs 및 전류 107μA)를 적용합니다.
  4. 전압 파형의 첫 번째 위상 끝에서 피크 전압(V합계)을 측정하고 옴의 법칙(Z = 전압/전류)을 사용하여 총 임피던스(Z합계)를 계산합니다.
  5. 한 쌍의 전극을 자극기에 연결하고 한 쌍의 전극을 기록 장비에 연결하고 양극성 자극을 가하여 피부 아래에 배치된 VNS 임플란트의 기준 전극을 ECAP의 차등 기록을 위한 기준으로 사용하여 ECAP를 생성합니다. 데이터 수집 및 분석 소프트웨어를 사용하여 총 50회 반복에서 평균을 낸 두 세트의 기록을 만듭니다.
  6. 측정을 위해 다음 설정을 사용합니다.
    전류: 0 - 2 mA, 0.1 mA 단위;
    펄스 폭: 25 - 200 μs;
    간기 간격: 8 - 50 μs;
    자극 속도: 10 - 30 펄스/초;
    샘플링 속도: 100kHz;
    필터: 고역 통과 200Hz, 저역 통과 2000Hz, 전압 이득 1 x 102.
  7. 데이터 분석 소프트웨어를 사용하여 분석 창 내에서 파형의 피크 대 피크 전압을 측정하여 ECAP 응답을 분석합니다(4 - 10ms 후 자극, 그림 3A,B의 음영으로 표시). ECAP 임계값은 평균 전기생리학 기록의 두 세트에서 최소 0.1μV피크-피크의 응답 진폭을 생성하는 최소 자극 전류 강도로 정의됩니다. 유효한 응답은 임계값 위의 최소 두 개의 전류 레벨에 대해 반복되고 임계값10,15 미만의 최소 두 개의 전류 레벨에 대해서는 존재하지 않습니다.

4. 깨어 있는 쥐의 만성 복부 VNS

알림: 복부 VNS는 경피적 커넥터 주변의 수술 상처가 치유되고 안정화되면 깨어 있는 동물에게 적용할 수 있습니다. 스트레스 반응을 줄이고 더 나은 데이터 수집을 허용하기 위해 동물은 이식 수술 및 VNS 요법 시작 전 7일 동안 하루에 한 시간씩 테스터의 취급 및 자극 환경에 익숙해집니다.

  1. VNS를 적용하기 전에 3.4단계에서 설명한 대로 각 전극의 임피던스를 측정합니다. 자극 전극의 임피던스가 20kΩ 미만인지 확인하십시오.
  2. 케이블을 후면 경피적 커넥터에 연결하고 케이블의 다른 쪽 끝을 적절한 자극을 가하도록 프로그래밍된 자극기(예: 27Hz, 1.6mA, 200μs 펄스 폭, 50μs 간극, 30초 ON, 2.5분 OFF15)에 연결한 다음 자극기를 켭니다.
    알림: 동물이 적절하게 습관화되면 자극 중에 잠드는 것이 종종 관찰되지만 씹히지 않도록 가능한 한 강철 코일과 같은 보호용 외부 재료가 있는 케이블을 사용하십시오.
  3. 각 VNS 치료 세션이 시작될 때 동물을 관찰하여 자극 타이밍에 따라 과도한 그루밍이나 활동 수준의 갑작스러운 증가/감소와 같은 부작용이 없는지 확인합니다.
  4. 30분마다 모니터링하여 케이블이 꼬이거나 분리되었는지 확인합니다. VNS를 만성적으로 적용하려면(예: 7일 동안 하루 3시간15) 각 세션이 시작될 때 4.1-4.3단계를 반복합니다.
    알림: 정류자를 사용하면 케이블이 꼬일 가능성이 줄어들고 모니터링 빈도가 줄어들 수 있습니다.

결과

수술 직후 유발된 복합 활동 전위(ECAP, 그림 3A,B)를 기록하는 것은 어레이 채널 내에서 신경의 올바른 배치를 확인하는 데 사용할 수 있는 기술이며, 그 자극은 미주 신경을 활성화하는 데 효과적입니다.

그림 3에서, 암컷 어두운 agouti 쥐 (생후 8-9 주)는 VNS 전극 어레이를 이식했습니다. 치료 자극을 받기 위해 무작위로 선택된 쥐에서, ECAP는 수술 직후(0일, 그림 3A) 및 VNS 치료 세션 종료 시(23일, 그림 3B)에 기록되었습니다. ECAP의 존재(그림 3B)는 자극 강도가 신경 역치 이상이고 신경이 성공적으로 활성화되었음을 나타냅니다. 자극이 성공적으로 전달된다는 보장이 없기 때문에 ECAP가 기록되지 않은 VNS 치료군의 동물은 제외되었다15. 신경 반응의 잠복기(그림 3A,B, 녹색 화살표로 표시)는 어떤 종류의 섬유가 활성화되었는지 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

이전 연구에서 우리는 대부분의 신경 반응이 일반적으로 4ms에서 10ms 사이에 발생한다는 것을 관찰했습니다10,15. 자극 쌍과 기록 쌍 사이의 거리가 4.7mm인 것을 감안할 때, 이 반응 윈도우의 대략적인 전도 속도는 0.47 - 1.2m/s이며, 이는 C-섬유(18)의 전도 속도와 일치한다.

0일(377μA, 도 3A)과 23일(1335μA, 도 3B) 사이에 신경 역치가 증가하는데, 이는 조직-전극 계면(10,15) 주위에 형성되는 경미한 양성 섬유증에 기인할 수 있다.

도 3C 는 실험적 테스트 셋업 및 후면 커넥터의 위치를 나타내며, 이는 3주간의 테스트 기간(15) 동안 안정적으로 유지되었다.

미주 신경 자극 다이어그램 및 수술 설정 및 해부학적 라벨을 보여주는 전극 배치 이미지.
그림 1: 자궁경부 VNS 및 복부 VNS 부위. (A) 자궁경부 VNS는 가지 위에서 심장과 기도로 가고, 복부 VNS는 이 가지 아래에 적용됩니다. (B) 전극 어레이는 피부 아래 터널링 중에 보호하기 위해 니들 캡(테두리가 제거된 상태)에 삽입됩니다. (C) 쥐 복부 VNS 어레이를 이식하고 다이어프램 아래의 셀리악병 및 간 가지 위의 봉합사(D)로 고정합니다. 약어: VN = 미주 신경, b. = 가지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

위 자극 다이어그램을 위한 전극 배열을 보여주는 쥐 위의 경피적 커넥터 설정.
그림 2: 쥐 VNS 어레이. (A) 랫트 VNS 어레이는 경피적 커넥터와 리드선으로 연결된 전극 어레이로 구성됩니다. (B) 전극 어레이 근처의 탭을 식도에 봉합하여 어레이의 위치를 안정화할 수 있습니다. 표준 쥐 복부 미주 신경 배열에는 두 개의 전극 쌍(E1 및 E2, E3 및 E4)이 있습니다. 두 전극 쌍 모두 자극 또는 기록에 사용할 수 있습니다. 경피적 커넥터는 동물의 목재 부위에 장착되고 리드선은 동물의 왼쪽 피부 아래에 터널을 뚫습니다. 리드 와이어를 따라 기준 전극은 전극 어레이가 이식되면 동물의 왼쪽 피부 아래에 배치됩니다. 전극 배열은 위 위와 횡격막 바로 아래의 식도를 따라 미주 신경에 이식됩니다. (C) 피부 아래 동물의 왼쪽에 있는 리드선의 추가 길이는 변형을 제공합니다. 약어: E = 전극. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

전기생리학 실험: 0일 및 23일에 자극 반응의 전압 대 시간 그래프; 쥐 설정.
그림 3: 만성 이식 중 복부 미주 신경과 VNS 요법을 받는 쥐에서 기록된 일반적인 전기생리학적 흔적. (A) 각 전기생리학적 흔적은 평균 25회 반복입니다. 녹색 음영 상자는 쥐 복부 미주 신경에서 C-섬유 반응의 일반적인 잠복기를 나타냅니다(4ms에서 10ms 사이(자극 전극 쌍과 기록 전극 쌍 사이, 중심에서 중심 사이 거리가 4.7mm인 전극 어레이 사용). ECAP에는 녹색 화살촉이 표시되어 있습니다. (B) 홈 케이지에서 등에 있는 경피적 커넥터를 통해 VNS 치료를 받고 있는 쥐. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

세척액초음파 처리 시간
1. 초순수에서 0.5% 파이로네그15분
2. 초순수5 민
3. 초순수5 민
4. 96% 에탄올10분
5. 초순수5 민
6. 초순수5 민

표 1: 초음파 처리 단계. 표는 여기에서 수행 된 초음파 처리에 대한 세부 정보를 제공합니다.

토론

복부 VNS 임플란트 수술 및 미주 신경의 만성 자극 및 ECAP 기록 방법은 이식 후 쥐에서 5 주 동안 성공적으로 사용되었으며 잘 견뎌 냈습니다 10,15,16. 식도와 미주신경을 잘 보기 위해 위, 간, 장을 수축시키는 것은 수술의 핵심 단계 중 하나입니다. 이 기관들이 수축되면 미주 신경에 접근할 수 있게 됩니다. 위가 수축되면 호흡이 저하될 위험이 있으며, 이 경우 견인기가 느슨해집니다. 또한 미주 신경에 접근하기 위해 식도를 둘러싼 결합 조직을 절단할 때 횡격막의 손상을 방지하기 위해 주의를 기울여야 하며, 이는 흉부 내 압력의 붕괴, 심각한 호흡 억제 및 수술 중 동물의 죽음으로 이어질 수 있습니다. 식도를 둘러싼 결합 조직은 간과 셀리악 가지 위의 전극 배열에 맞을 정도로만 청소하는 것이 좋습니다.

수술 후 발생할 수 있는 합병증으로는 식도 주위의 조직 유착, 탈장, 수술 후 장폐색 등이 있습니다. 조직 접착은 수술 중 및 복강을 닫기 전에 복강에 멸균 식염수를 자유롭게 도포하여 최소화할 수 있습니다. 복막층을 근육층과 함께 봉합하는 봉합사도 내부 장기를 보호하고 조직 유착을 줄이는 데 도움이 됩니다. 간은 쉽게 멍이 들고 장을 조작하면 수술 후 장폐색증이 발생할 수 있으므로 이러한 장기를 최소한으로 부드럽게 다루는 것이 중요합니다. 마지막으로, 특히 무거운 동물의 경우, 탈장과 이포돌기 돌출을 방지하기 위해 복강을 닫을 때 봉합사 바늘을 서로 가깝게 배치하거나 중단된 봉합사를 대신 사용하는 것이 중요합니다.

표준 수술 후 관리로써 동물은 수술 후 배변, 체중 변화, 털, 활동 수준 및 수술 상처로 인한 부기 또는 분비물의 존재 여부에 대해 정기적으로 확인해야 합니다. 드물게 수술 상처 주위의 과도한 분비물, 발적 및 부종이 발생하여 감염을 암시할 수 있습니다. 이러한 경우 감염이 해결될 때까지 베이트릴(0.2mg/mL, 식수에 3-5일 동안 투여)과 같은 항생제를 투여합니다. 정상적인 쥐는 일반적으로 수술 후 잘 회복되지만, 건강 상태(예: 질병 모델)가 손상된 쥐는 수술 후 검사 및 자극을 시작하기까지 더 많은 시간이 필요할 수 있습니다. 이러한 동물에 대한 적절한 수술 후 관리(2.26단계 요약)는 동물의 복지에 필수적입니다.

이 프로토콜의 한계 중 하나는 랫 VNS 전극 어레이의 설계가 더 느린 C-섬유 응답을 기록하는 데 탁월하지만 전극 쌍 사이의 간격(4.7mm)은 일부 더 빠른 섬유 유형의 활성을 캡처하는 데 적합하지 않을 수 있다는 것입니다. 어레이의 전체 길이는 간 및 셀리악 가지 위의 횡격막하 미주 신경의 사용 가능한 길이에 의해 제한되지만 이러한 VNS 어레이는 추가 전극 쌍과 함께 구입할 수 있습니다. 이러한 어레이는 VNS(16,19)의 방향을 조작할 수 있는 차단 자극의 응용을 탐색하는 데 사용될 수 있으며, 이 모델의 사용 가능성을 확장할 수 있다.

기록 ECAP는 신경 주위의 어레이 배치, 전극 계면의 품질 및 미주 섬유를 활성화하는 장치의 능력을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 미주신경은 97%-99%의 C-섬유(18,20)로 구성된 자율 신경이며, 나머지 1%-3%의 섬유는 투과 전자 현미경 연구20에 의해 확인된 바와 같이 수초화 섬유(기능 불명)입니다. 도 3의 반응은 말초 신경21,22에 대한 복합 활동 전위의 모양과 형태에 적합하기 때문에, 근육 생성성 활동보다는 미주 신경의 전기적으로 유발된 활동으로부터 비롯된 것일 가능성이 높다. 또한, 쥐의 복부 미주신경 ECAP의 전형적인 전도 속도는 0.47 - 1.2 m/s이며, 이는 C-섬유의 전도 속도와 일치한다18. 초기 장치 개발 파일럿 연구에서 기록은 자극 전극과 기록 전극 사이의 미주 신경을 절단하여 마취된 쥐 연구에서 검증되었으며, 그 결과 유발된 반응이 제거되었습니다(데이터는 표시되지 않음). 전극 어레이는 미주 신경이 백금-실리콘 채널 내에 위치하여 주변 구조 구조(예: 식도)로부터 효과적으로 전기적으로 격리되도록 설계되었습니다. 자극 및 기록은 또한 인접한 전극을 사용하는 바이폴라 구성을 사용하여 수행되며, 자극의 확산 및 기록의 오염 가능성을 더욱 최소화합니다. 우리는 자극의 생리학적 효과가 미주신경 활성화를 확인한 연구를 포함하여 마취 및 각성 제제에서 복부 미주신경의 전기 자극 후 유사한 파형을 일관되게 보고해 왔다 10,15,16,19,23. 근육 활성에 의한 기록의 오염을 배제하는 것은 불가능하지만, 근육 반응은 일반적으로 우리의 연구10,15 및 그림 3A, B에서 관찰된 등급이 매겨진 더 작은 성장 프로파일과 대조적으로 빠르고 큰 성장 진폭 프로파일(24)로 인해 신경 반응과 구별할 수 있습니다. 0일차: 현재 수준 377μA 대기 시간: 7.24 ms > 전류 레벨 1750 μA : 6.74 ms.

거의 전적으로 C-섬유(20,25)로 구성된 횡격막하 미주신경의 활성화는 염증성 장질환(inflammatory bael disease)10, 류마티스 관절염(rheumatoid arthritis)15 및 당뇨병(diabetes)16의 전임상 모델의 치료에 효과적인 것으로 나타났지만, 치료 효과를 극대화하기 위한 최적의 복부 VNS 매개변수는 완전히 탐구되지 않았다14. 염증성 장 질환 치료를 위한 복부 VNS의 적용이 현재 최초의 인간 임상 시험에서 조사되고 있기 때문에 이 주제에 대한 추가 연구는 큰 도움이 될 것입니다. 복부 VNS의 항염증 효과는 전신26으로 간주되기 때문에, 이 요법은 전신성 홍반성 루푸스(systemic lupus erythematosus)27 및 만성 신장 질환(chronic kidney disease)28과 같은 다른 염증성 질환에도 효과적일 가능성이 크다.

쥐 연구에 따르면 복부 VNS는 심장 또는 호흡기 off-target effect를 유발하지 않는다는 점에서 자궁경부 VNS에 비해 독특한 이점이 있다10. 더 높은 강도의 자극은 동물의 호흡이나 심박수를 손상시키지 않고 더 오랜 시간 동안 적용될 수 있습니다. 초역치 자극 강도를 확인하는 유발된 신경 반응을 모니터링하는 기능과 함께 이 방법은 다양한 질병 치료를 위한 복부 VNS의 효능을 연구할 수 있는 훌륭한 모델을 제공합니다. VNS의 적용이 계속 확대됨에 따라 이러한 VNS 방법의 적용도 확대될 것으로 예상됩니다.

공개 사항

이 연구는 잠재적인 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계가 없는 상태에서 수행되었습니다.

감사의 글

쥐 복부 VNS 임플란트의 개발은 우주 및 해군 전쟁 시스템 센터(계약 번호 N66001-15-2-4060)를 통해 Doug Weber 박사와 Eric Van Gieson 박사의 후원 하에 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency) BTO의 자금 지원을 받았습니다. 이 간행물에 보고된 연구는 Bionics Institute Incubation Fund의 지원을 받았습니다. 바이오닉스 인스티튜트(Bionics Institute)는 운영 인프라 지원 프로그램(Operational Infrastructural Support Program)을 통해 빅토리아 주정부로부터 받은 지원을 인정합니다. 기계 설계의 Owen Burns, 해부학적 전문 지식의 John B Furness 교수, 주변 인터페이스, 신경 조절 및 기록 전문 분야의 Robert K Shepherd 교수, 축산 및 테스트 분야의 Philippa Kammerer 및 Amy Morley, 수술 후 동물 관리에 대한 조언을 해준 Fenella Muntz 및 Peta Grigsby 박사, VNS 어레이 생산을 맡은 NeoBionica의 Jenny Zhou 및 전극 제작 팀에 감사드립니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
0.9% 식염수BriemarpakSC3050
BaytrilBayer
BetadineSanofi-Aventis Healthcare
Buprelieve (Buprenorphine)Jurox
데이터 수집 장치National InstrumentsUSB-6210
DietGel Boost (다이어트 젤 보충제)ClearH2O
Dumont 핀셋, 스타일 5ProSciTechT05-822
Dumont 핀셋, 스타일 N7, 자동 폐쇄ProSciTechEMS72864-D
Elmasonic P 초음파 발생기Elma
Hartmann의 솔루션BaxterAHB2323
HemustatProSciTechTS1322-140
HPMC/PAA 모이스처라이징 아이 젤Alcon
Igor Pro-8 소프트웨어Wavemetrics, Inc
Isoflo (Isoflurane)Zoetis
절연 차동 증폭기World Precision InstrumentsISO-80
Liquid pyronegDiverseyHH12291세척 용액
Marcaine (Bupivacaine)Aspen
플라스틱 드레이프Multigate22-203
쥐 미주신경 임플란트Neo-Bionica
Rimadyl (Carprofen)Zoetis
실크 봉합사 3-0Ethicon
실크 봉합사 7-0Ethicon
SteriClave 오토클레이브Cominox24S
멸균 일회용 수술 가운ZebravetDSG-S
자살 니켈 후크Jarvis Walker
초순수머크 MillipreMilli-Q 다이렉트
언더 패드ZebravetUP10SM
Vannas 가위ProSciTechEMS72933-01
Vicryl 봉합사 4-0Ethicon

참고문헌

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