Summary
Brève description visuelle de la technique chirurgicale et le dispositif utilisé pour la livraison de (génique et cellulaire) thérapies dans la moelle épinière. La technique est démontrée chez l'animal, mais est entièrement traduisible et est actuellement utilisé pour une application humaine.
Abstract
Il s'agit d'une description compacte visuelle d'une combinaison de la technique chirurgicale et un dispositif pour la livraison de (génique et cellulaire) thérapies dans la moelle épinière. Bien que la technique est démontrée chez l'animal, la procédure est approuvé par la FDA et est actuellement utilisé pour la greffe de cellules souches dans la moelle épinière des patients atteints de SLA. Alors que la FDA a reconnu preuve de principe des données sur l'efficacité thérapeutique dans des modèles de rongeurs très caractérisés, l'utilisation des animaux de grande taille est considérée comme essentielle pour valider la combinaison d'une intervention chirurgicale, un dispositif, et la sécurité d'un traitement définitif pour usage humain . La taille, l'anatomie et la vulnérabilité générale de la colonne vertébrale et la moelle épinière des porcs sont reconnus afin de mieux modéliser l'humain. En outre, le processus chirurgical de l'exposition et la manipulation de la colonne vertébrale ainsi que la fermeture de la plaie chez le porc est pratiquement impossible de distinguer l'humain. Nous croyons que le modèle de porc en bonne santé représente une critiquecal première étape dans l'étude de la sécurité des procédés.
Protocol
1. L'utilisation d'animaux
Procédures démontré ci-dessus ont été approuvés par les soins de l'Université Emory et l'utilisation des animaux institutionnel Comité (IACUC). Femmes miniporcs Göttingen pesant environ 15-20 kg sont utilisés.
2. Anesthésie
Animaux sont mis à jeun environ 12 heures avant la chirurgie. Sédation des animaux et induction de l'anesthésie se composent d'un cocktail de kétamine par voie intramusculaire (35 mg / kg), acépromazine (1,1 mg / kg), et atropine (0,04 mg / kg). Les animaux sont ensuite intubé et maintenu sur l'oxygène et 1-3% isoflurane général. À ce stade, le dos et la tête de chaque animal est rasé. Profondeur de l'anesthésie est contrôlée par le personnel vétérinaire. Absence de réflexes interdigitaux, la cornée et palpébrale, ainsi que le rythme cardiaque et respiratoire, oxymétrie de pouls, tension artérielle directe / indirecte, en fin d'expiration de dioxyde de carbone mesures, et le tonus musculaire / réponse à des stimuli nocifs sont utilisés pour surveiller la profondeur de l'anesthésie.
3. Placement
Les animaux sont prises pour la salle d'opération et placés dans une position couchée sur une coutume cadre conçu pour imiter le positionnement des patients sur une table d'opération Jackson épinière. Le cadre utilise des élingues réglables qui sont placés sous la poitrine et le bassin de l'animal, ce qui permet l'abdomen pendre librement et, par conséquent, réduire la pression sur l'abdomen et de la poitrine et en conséquence une hémorragie veineuse épidurale (figure 1). Le cadre fournit également immobilisation externe de la colonne vertébrale pour la procédure 1.
De plus, les animaux sont placés sur une chauffée recirculation tampon pour maintenir la température du corps et une veine marginale de l'oreille cathéter pour l'administration de fluide et une administration de médicament nécessaire au cours de la chirurgie. Enfin, le champ opératoire est préparée avec une solution de chlorhexidine et d'alcool ou bétadine et draps chirurgicaux sont placés sur le champ opératoire.
le "> 4. LaminectomieUne incision d'environ 10-15 cm et la peau est réalisée la musculature paravertébrale est disséqué de la colonne vertébrale bilatérale. Ensuite, une dorsale multi-niveau laminectomie est effectuée. Les processus lamina et épineuse sus-jacente de trois vertèbres C3-C5 ou L2-L4 segments sont éliminés en utilisant rongeurs et une perceuse chirurgicale.
5. Le placement de l'Derrick épinière
Nous appelons Derrick vertébrale du dispositif conçu pour la livraison de (génique et cellulaire) thérapies dans le 2-5 de la moelle épinière. Une discussion détaillée sur la conception et l'évolution de ce dispositif peut être trouvé sur Riley et al., 2011 4.
Pour fixer le dispositif sur le patient, les messages sont placés par voie percutanée au moyen d'incisions cutanées 1cm au-dessus et au-dessous de l'incision primaire et montée sur la lame au-dessus et au-dessous de l'incision primaire.
Ensuite, deux écarteurs intégrés sont fixés à la four percutanées postes ci-dessus et en dessous du site d'incision pour exposer la zone de la colonne vertébrale qui a subi une laminectomie.
6. Ouverture Dural
À l'aide d'un outil dentaire Woodson et une lame 11, une incision est faite 2,5 cm à travers la dure-mère, l'exposition de la moelle épinière. La dure-mère est réfléchie à partir de la couche de fil de suture à l'aide piale Nurolon 4-0 et solidaire de la musculature paravertébrale profonde.
Galettes chirurgicaux sont placés dans les extrêmes rostrale et caudale de l'ouverture. Ceux-ci fournissent une barrière partielle au flux de liquide céphalo-rachidien et fournissent également une cible sûre pour les chirurgiens de placer ventouses sans endommager le cordon. Chez l'homme, sous un grossissement de microscope chirurgical, la surface de la pie-mère est disséqué à ce stade. En raison de limitations techniques, cette procédure n'est pas nécessaire ou réalisable chez les animaux.
7. Injections la moelle épinière et le déplacement latéral de la colonne vertébrale Derrick pour injection supplémentaires
Immédiatement avant les injections, un bolus de méthylprednisolone (125 mg, IV) est donnée pour éviter le gonflement de la moelle épinière.
À ce stade, le système ferroviaire plate-forme est fixée et les rails latéraux sont ajustés pour s'adapter à la longueur appropriée. La gondole est Haut-chargés sur les barres 2 et le lecteur de Z est montée sur le joint de cardan. Ensuite, la canule chargé est placé sur le microdrive. En utilisant le joint de cardan sur la plate-forme de micro-injection, les angles frontal et sagittal sont ajustés pour garantir une trajectoire perpendiculaire à la surface des injections spinales suivre la mise en place de la canule. L'aiguille est positionnée en conséquence médiane de la zone d'entrée de la racine dorsale (DREZ). La DREZ est identifié sous loupe de grossissement 3.5X chirurgical et pénètre sur une trajectoire perpendiculaire à la surface de cordon en un point <1 mm en dedans.
Chez l'homme, une IRM pré-opératoire fournit une base d'évaluation of dimensions de la moelle épinière pour la planification opérationnelle. De plus, l'épaisseur de la moelle épinière est mesurée pour déterminer la profondeur de la cible de la corne antérieure.
La suspension est injectée à une profondeur de 4 mm à partir de contact piale. Une bride en matière plastique Ultem sert de butée sur la surface de pie pour empêcher l'aiguille de faire avancer plus loin que désiré. Une fois la pointe de l'aiguille est positionnée au niveau de la cible, le manchon extérieur rigide en métal est tiré vers le haut, en laissant le tube flexible exposée. Une fois l'injection terminée, l'aiguille est laissée en place pendant 1 min pour empêcher le reflux cellule vers le haut du tube canule d'injection.
Des précautions sont prises pour éviter vasculaire surface en ajustant légèrement le microdrive soit la latéralité ou rostro-caudale. Des saignements de sites de pénétration peut se produire. Lorsque le saignement est rencontrée par exemple, galettes de micro sont placés sur le site de ponction saignement et l'aspiration est appliquée pour les élimine du sang hors de la canule Penetrtion du site et empêcher l'accumulation dans la moelle. Cela permet de manière fiable pour le sang à coaguler. Cautérisation est évité car la pression directe.
Après le retrait d'aiguille, l'appareil stéréotaxique est déplacé vers le site cible suivante le long de l'axe rostro-caudal, séparés par 2 ou 4 mm ou au besoin pour éviter les vaisseaux sanguins visibles sur la surface dorsale de la moelle épinière. Ce processus est répété autant de fois qu'il a proposé dans une étude donnée.
8. Canule flottant
Une canule de perfusion personnalisé de petit diamètre est utilisé pour les injections. La canule est constituée d'une aiguille de calibre 30-biseauté de longueur fixe relié à une jauge de 30-tubulure silastique souple de longueur variable. L'extrémité distale est munie d'une serrure luer Hamilton qui est relié à une pompe de micro-injecteur. Le tube proximal silastic est enveloppée dans un gabarit 24-canule externe rigide qui sièges sur l'extrémité proximale de l'aiguille d'injection bride. Cette bride les deux siègesla canule extérieure et sert de butée de profondeur pour l'aiguille d'injection. Pour chaque injection, le volume approprié d'une suspension thérapeutique est animé par une. L'aide d'un pré-calibré Minj-PD microinjecteur pompe (Tritech Research, Inc, Los Angeles, CA) à un taux de 5 pi par minute
9. Fermeture
Une fois que toutes les injections ont été faites, le derrick épinière est doucement retirée et les incisions sont refermées en quatre couches. La dure-mère est fermé à l'aide d'un Nurolon 4,0 point, d'une manière étanche à l'eau. 0 suture Vicryl est utilisé pour la couche musculaire profonde. Fascia est ensuite fermé avec 0 suture Vicryl également de façon étanche. La couche dermique est finalement fermé avec 2,0 Vicryl, avec un point de fonctionnement. Fermeture de la peau est réalisée en utilisant un fil de suture en nylon 3-0.
10. Récupération et gestion de la douleur
Les animaux sont extubé et surveillés pendant 2 h de récupération anesthésie suivant. Ensuite, les animaux sont transférés à l'individu câges et contrôlés au moins une fois par jour pour la consommation alimentaire, la défécation, la miction et.
Pour la gestion de la douleur, un timbre transdermique de fentanyl (75 mcg) est agrafé sur le dos des animaux pour trois jours de l'analgésie postopératoire. En outre, la buprénorphine (0,05 mg / kg, BID, IM) peut également être accordée pour un maximum de trois jours après l'intervention.
11. Résultats et conclusions représentatives
Les observations cliniques et les comportements sont effectuées avant la chirurgie, puis enregistrées sur Jours 1 à 7 et chaque semaine jusqu'à point d'ancrage conformément à la conception de l'étude. Données comportementales sont recueillies pour évaluer la morbidité neurologique tel que décrit précédemment 6. La fonction sensorielle est évaluée par la présence ou l'absence d'une réponse de retrait à un stimulus mécanique pour les orteils de membres antérieurs et postérieurs. La fonction motrice suit le score de Tarlov (tableau 1): 0 - Paralysie, aucun mouvement; 1 - tonus perceptibles dans les membres postérieurs, légère mOUVEMENT; 2 - Mouvement dans les membres postérieurs, mais incapable de rester assis ou debout; 3 - Aptitude à se tenir debout et marcher, mais ataxique et pour de courtes périodes; 4 - La récupération complète de la fonction motrice normale.
La sécurité du procédé est déterminée par la capacité d'un animal pour retourner au niveau de référence pré-opératoire. Des déficits neurologiques transitoires doivent la plupart du temps à résoudre entre post-opératoires jours 1 et 7, avec quelques variations selon les races des animaux et de la procédure (nombre d'injections, entre autres paramètres). Morbidité permanente est définie par une durée de déficits neurologiques qui ne résolvent pas le temps de les animaux atteignent terminaison par défaut IACUC (Figure 2).
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Representative Results
| Score Tarlov | |
| 0 | Paralysie, pas de mouvement |
| 1 | Tonus perceptibles dans les membres postérieurs, des mouvements légère |
| 2 | Mouvement dans les membres postérieurs, mais incapable de rester assis ou debout |
| 3 | Aptitude à se tenir debout et marcher, mais ataxique et pour de courtes périodes |
| 4 | La récupération complète de la fonction motrice normale |
Tableau 1. Score de Tarlov. Morbidité neurologique et la récupération est évalué en marquant la fonction motrice de l'animal.
Positionnement par tableau figure 1. PROCEDUR poure. animaux sont placés dans une position couchée sur un cadre personnalisé conçu pour imiter les patients de positionnement sur une table chirurgicale Jackson épinière. Le cadre utilise des élingues réglables qui sont placés sous la poitrine et le bassin de l'animal, ce qui permet l'abdomen pendre librement et, par conséquent, réduire la pression sur l'abdomen et de la poitrine et en conséquence une hémorragie veineuse épidurale. Le cadre fournit également immobilisation externe de la colonne vertébrale pour la procédure.
Figure 2. Évaluation fonction motrice et des résultats représentatifs. Animaux subir un examen neurologique général avant la chirurgie et sur une base régulière après guérison complète de la procédure. La marche et la fonction motrice sont évaluées en fonction du score de Tarlov. Cette échelle fournit des critères objectifs d'évaluer la capacité de l'animal de se déplacer comme un surromesure porte sur la fonction motrice. La sécurité du procédé est déterminée par la capacité d'un animal pour retourner au niveau de référence pré-opératoire. Des déficits neurologiques transitoires doivent la plupart du temps à résoudre entre post-opératoires jours 1 et 7, avec quelques variations selon les races des animaux et de la procédure (nombre d'injections, entre autres paramètres). Morbidité permanente est définie par une durée de déficits neurologiques qui ne résolvent pas le temps de les animaux atteignent terminaison par défaut IACUC.
Additionnel
Dans le cas de la thérapie cellulaire, avant laminectomie et sous anesthésie, un cathéter jugulaire 10F chronique (technologies d'accès, CCPS072106A) est placé à l'administration intraveineuse d'immunosuppresseurs pendant la durée de l'étude. Le cou de l'animal est préparé et drapé. La veine jugulaire interne est exposée chirurgicalement et une canule avec le cathéter, qui est fixé avec une cravate en soie 3-0. L'extrémité proximale de la veine jugulaire interne est l'n ligaturé avec une cravate de soie 3-0. Ensuite, le cathéter est un tunnel de la peau du cou sur le dos et sécurisé avec 3-0 points de suture en nylon. Enfin, la plaie est irriguée et fermé par un exécutant 3-0 maille de nylon. Une telle procédure n'est pas nécessaire chez les humains.
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Discussion
Malgré l'approbation de procéder à la technique décrite chez l'homme 7-9, questions cruciales restent sans réponse pour que les thérapies de la moelle épinière pour réussir. Une compréhension rigoureuse de tolérance de la moelle épinière à l'injection intra-parenchymateux est nécessaire pour permettre la planification et l'exécution d'essais de développement de thérapies pour démyélinisante, dégénérative, traumatique et la maladie de la moelle épinière. À l'heure actuelle, il n'existe pas de compréhension claire du nombre d'injections que le grand cordon de mammifères épinière peuvent tolérer sans morbidité transitoire et permanent. De même, l'espacement des injections est susceptible d'affecter la morbidité. En outre, macroscopiques (par exemple, la ventilation liées ou les mouvements du patient par inadvertance) et microscopiques (c.-à-oscillation avec la ventilation et le pouls cardiaque) les mouvements de la moelle épinière présentent des risques pour la moelle épinière lors de l'injection. Une bonne compréhension du seuil de la morbidité dans un modèle de grand animal aideradosage calculs pour tous les programmes de thérapie épinière moelle. Notre translationnelle moelle épinière transplantation de laboratoire est disponible pour aider les programmes de développement préclinique de toutes les équipes en train de concevoir des essais pour l'application de la moelle épinière.
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Disclosures
Dr Boulis est l'inventeur de dispositifs permettant d'injection sûr et précis de la moelle épinière humaine. Neuralstem, Inc a acheté une licence exclusive pour cette technologie. Dr Boulis reçu la part d'une inventaires de ces frais, et possède les droits à des paiements de redevances pour la distribution de cette technologie. D'autres auteurs n'ont rien à révéler.
Acknowledgments
Nous tenons à remercier la Division de l'Université Emory des ressources animales du personnel pour les soins vétérinaires. Les sources de financement comprennent: ALS Association, ministère de la Défense, et Neuralstem, Inc
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Spinal Derrick | Neuralstem, Inc. | Neuralstem, Inc. has purchased an exclusive license to this technology | |
| MINJ-PD Microinjector pump | Tritech Research, Inc. | Customized for this specific application | |
| Floating Cannula | Neuralstem, Inc. | Custom-designed for this specific application |
References
- Usvald, D., et al. Analysis of dosing regimen and reproducibility of intraspinal grafting of human spinal stem cells in immunosuppressed minipigs. Cell Transplant. 19, 1103-1122 (2010).
- Riley, J., et al. Targeted spinal cord therapeutics delivery: stabilized platform and microelectrode recording guidance validation. Stereotact. Funct. Neurosurg. 86, 67-74 (2008).
- Federici, T., Riley, J., Park, J., Bain, M., Boulis, N. Preclinical safety validation of a stabilized viral vector direct injection approach to the cervical spinal cord. Clin. Transl. Sci. 2, 165-167 (2009).
- Riley, J. P., Raore, B., Taub, J. S., Federici, T., Boulis, N. M. Platform and Cannula Design Improvements for Spinal Cord Therapeutics Delivery. Neurosurgery. 69, 147-154 (2011).
- Riley, J., et al. Cervical spinal cord therapeutics delivery: preclinical safety validation of a stabilized microinjection platform. Neurosurgery. 65, 754-761 (2009).
- Raore, B., et al. Cervical multilevel intraspinal stem cell therapy: assessment of surgical risks in Gottingen minipigs. Spine. 36, 164-171 (2011).
- Boulis, N. M., et al. Translational stem cell therapy for amyotrophic lateral sclerosis. Nat. Rev. Neurol. , (2011).
- Riley, J., et al. Intraspinal Stem Cell Transplantation in ALS: A Phase I Safety Trial, Technical Note & Interim Safety Outcomes. Neurosurgery. 71 (2), 405-416 (2012).
- Boulis, N. M., et al. Lumbar intraspinal injection of neural stem cells in patients with ALS: results of a Phase I trial in 12 patients. Stem Cells. 30 (6), 1144-1151 (2012).
