Djurmodeller av cochleaimplantat kan avancera kunskap om de tekniska grunderna för behandling av permanent sensorineural hörselnedsättning med elektrisk stimulering. Denna studie presenterar ett kirurgiska protokoll för akut öronbedövande och cochlear implantation av en elektrod array i möss samt funktionella bedömningen med auditiv hjärnstammen svar.
Cochleaimplantat (CIs) är neuroprosthetic enheter som kan ge en känsla av förhandlingen till döva. Dock återställa inte en CI alla aspekter av förhandlingen. Förbättring av implantatet tekniken behövs om CI-användare är att uppfatta musik och utföra i mer naturliga miljöer, såsom hörsel ut en röst med konkurrerande talare, reflektioner och andra ljud. Sådan förbättring kräver försöksdjur att bättre förstå mekanismerna för elektrisk stimulering i hörselsnäckan och dess svar i hela hörselsystemet. Musen är en alltmer attraktiv modell på grund av de många genetiska modellerna tillgängliga. Den begränsade användningen av denna art som CI modell är dock främst på grund av svårigheten att implantera liten elektrod matriser. Mer information om ingreppet är därför av stort intresse att utöka användningen av möss i CI forskning.
I den här rapporten beskriver vi i detalj protokollet för akut öronbedövande och cochlear implantation av en elektrod array i C57BL/6 mus stam. Vi visar funktionella effekten av detta förfarande med elektriskt frammanade auditiv hjärnstammen svar (eABR) och visar exempel på ansiktsnerven stimulering. Slutligen diskuterar vi också vikten av att inkludera ett öronbedövande förfarande när du använder en normalt höra djur. Denna musmodell ger en kraftfull möjlighet att studera genetiska och neurobiologiska mekanismer som skulle vara relevant för CI-användare.
Cochleaimplantat (CIs) är elektroniska apparater som kan ge en känsla av förhandlingen till människor med svår hörselnedsättning. Den använder elektroder implanterad i snäckan i innerörat att direkt stimulera hörselnerven. Hittills har CI är mest framgångsrika sensoriska protesen och har hjälpt mer än 600.000 människor världen över1. Enheten har dock brister. Först, de förmåner som tillhandahålls av enheten varierar kraftigt bland mottagarna. Andra uppfattas fortfarande dåligt tal i bullriga miljöer och musik av de flesta CI-användare.
För många år, har djurmodeller använts att bättre förstå dessa frågor i CI forskning och att kontinuerligt förbättra säkerheten och effekten av enheterna. Modellerna har gett värdefulla insikter om flera fenomen, såsom plast förändringar i hjärnan som sker efter CI implantation2, effekten av att tillämpa genterapi för att bevara kvarvarande hörsel3och biofysiska egenskaper för den elektriskt stimuleras hörselnerven4, bland många andra exempel.
Möss är en kraftfull modell organismen på grund av den stora tillgången på genetiska modeller av dövhet. Andra fördelar är förmågan att manipulera genomet mus (t.ex., via systemet CRISPR-Cas), möjlighet att använda avancerade imaging tekniker för att studera mekanismer, särskilt i hjärnan, hög reproduktion klassar, snabb utveckling och lätt avel och hantering. De viktigaste tekniska utmaningarna i att utföra CI operationer hos möss är den lilla storleken på snäckan och närvaron av en stor stapedial artär (SA). SA vanligtvis försvinner under embryonalutvecklingen hos människa men kvarstår under hela livet i ett antal gnagare, inklusive möss, råttor och gerbiler. SA kör nedanför runda fönster nisch, vilket komplicerar tillgång till snäckan och ökar kirurgiska risken.
Tidigare studier har visat genomförbarheten av CI implantation i möss5,6,7. Irving et al. visat att kronisk intracochlear elektrisk stimulering kan uppnås i upp till en månad. Akut stimulering utfördes också men inspelningarna presenterades inte. De visade att Parkinsonsymtomen stapedial artär hade ingen signifikant effekt på tröskeln för förhandlingen eller antalet spiral ganglion nervceller och att lokal applicering av en aminoglykosid neomycin, en Ototoxiska läkemedel, var ett effektivt öronbedövande förfarande i möss5. Soken et al. beskrev en modifierad dorsala metod för mus snäckan genom det runda fönstret att bättre bevara hörseln status6. Efter införande av en platinum-iridium tråd observerades betydande kvarvarande hörsel en ökad auditiv hjärnstammen svar (ABR) tröskeln på 28 dB. I djur med stora ABR tröskel Skift6förlorade otoakustisk utsläpp (OAE). Mistry et al. testade de funktionella och histopatologiska effekterna av implantation i avsaknad av elektrisk stimulering7. Även om förhandlingen bevarades i både 3 och 6 månader gamla implanteras möss vid låga frekvenser, resulterade implantation i fibros-liknande vävnad runt implantatet och osteoneogenesis runt den bullostomy7.
Kort sagt, av de tre studierna på CIs i möss visar enda funktionella inspelning av CI stimulering. Irving och kollegor utförde både akut och kronisk eABR inspelningar men visade bara data från kronisk CI stimulering5. Den kroniska modellen med ett helt implanterbara enhet som utvecklats av Irving et al. är dock tekniskt utmanande. Det är ännu inte känt om akut CI stimulering, både mindre utmanande och snabbare, kan uppnå liknande resultat.
CIs används av personer med svår hörselnedsättning som inte längre dra nytta av hörapparater. Djurmodeller för CI-användare bör därför omfatta ett öronbedövande förfarande när normalt höra djur används. En annan anledning att göra döv förhandlingen djur är att elektrisk stimulering av en döv eller hörande cochlean producerar olika neurala svar4,8,9,10,11, 12. elektrisk stimulering av en döv snäckan direkt aktiverar hörselnerven fibrerna och genererar ett electroneural svar (α). Det kännetecknas av kort latens och ett litet dynamiskt omfång i periferin8,10. Däremot, retar elektrisk stimulering av en utfrågning snäckan också hårcellerna i ett electrophonic svar (β) som kännetecknas av längre latenser och större dynamiskt omfång4,11. Electrophonic svaret tillskrivs normala excitation av nervfibrer av inre hårcellerna, elektriskt inducerad sammandragning av yttre hårceller, och generering av en resande wave4. Electroneural och electrophonic svar också resultera i två olika aktivitetsmönster i centrala nervsystemet9. Sato et al. inspelade mellanhjärnan nervceller i försökskanin CI implanteras före och efter öronbedövande med neomycin, vilket eliminerar electrophonic bidrag. De visade att slutta av funktionen ränta-nivå var brantare och bränning priser högre i villkoret deafened jämfört med den förhandlingen skick9. Därför beroende på forskningsfrågan anges, är det viktigt att överväga inklusive öronbedövande separat electrophonic och electroneural svar på elektrisk stimulering av hörselnerven.
Här beskriver vi proceduren för akut öronbedövande och cochlear implantation av en elektrod array i en mus samt funktionella inspelningen av intracochlear elektrisk stimulering med elektriskt frammanade auditiv hjärnstammen svar (eABR).
Detta manuskript beskriver den kirurgiska metoden för akut öronbedövande och cochlear implantation i musen, samt en funktionell bedömning av CI stimulering med auditiv hjärnstammen svar. Även om musen snäckan är liten och den kirurgi som utmanande, CI musmodell är genomförbart och fungerar som ett värdefullt verktyg i auditiv forskning.
Den stapedial artären är närvarande i mellanörat av musen. Artären träder bulla posterior-medialt, och körs inferiorly att runda fönster nisch och sedan fint att ovala fönster nisch. I den inledande utvecklingen av musmodell upplevde vi dödliga intraoperativ blödning följande trauma för den stapedial artären, främst vid åtkomst till en bulla. Som en följd vi anpassat en mer begränsad strategi och inlogerat bulla i mindre, raffinerade dissektion steg. Inga ytterligare komplikationer på grund av blödning observerades därefter. Trots att stapedial artär bränning har ingen signifikant effekt på förhandlingen tröskel eller antal spiral ganglion nervceller i möss5, enligt vår mening, är det onödig så länge stor omsorg och uppmärksamhet är tagna under operationen. Vi föreslår att den tid som behövs för att utveckla fina psykomotoriska färdigheter och nå tekniska färdigheter. Den genomsnittliga tiden från första snittet till stängning runt den inopererad elektrod arrayen är vanligtvis 1-1,5 h.
Den beskrivs akut CI kirurgin hos möss är liknande till ”ventrala” förfarandet och runda fönstret infogning används i andra gnagare, inklusive råttor och gerbiler20,21,22. Andra gnagare studier har använt den ”dorsala metoden” med en basal tur cochleostomy i stället för en runda fönster införande, undvika SA helt och infoga matrisen mer djupt6,23,24. Implantation av en kronisk stimulering församling i möss följer samma steg som beskrivs i detta protokoll med tillägg av en Dacron mesh fixar implantatet och postoperativ vård5.
De viktigaste tekniska utmaningarna när du utför CI operationer hos möss är den lilla storleken på snäckan jämfört med snäckan råttor och gerbiler, och närvaron av en stor SA. SA är också närvarande i råttor men inte i gerbiler. Dessutom, eftersom möss är mindre än råttor och gerbiler, är de mer sårbara för kirurgiska ingrepp.
Att eliminera electrophonic svaren i eABR inspelningar och att efterlikna hår cellförlust finns i de flesta CI-användare, öronbedövande vi djuren före CI insättning. Möss är svåra att göra döv ototoxically invivo25 eftersom systemiska koncentrationerna av aminoglykosider som krävs för att orsaka ototoxicitet har en smal doseringsfönstret: lägre doser ges under flera dagar resulterar i ingen hår cellförlust medan en enda injektion av en högre dos kan vara dödliga26. Känslighet för aminoglykosider är också stam beroende26. Det har dock visat att en engångsdos av aminoglykosider i kombination med en loop-diuretikum kan producera överdriven yttre hår cellförlust i CBA/CaJ möss utan fatala konsekvenser27. Fördröjd inre hår celldöd rapporterades i hälften av alla cochleae undersökte27.
I detta manuskript använde vi topikal applicering av den aminoglykosider neomycin inspirerad av det protokoll som nyligen etablerat för C57BL/6 möss5. Akut tillämpning av neomycin signifikant ökade tröskeln Klicka-framkallat förhandlingen med 46 dB ± 6.1. Även om ökningen är större än 35 dB ökningen rapporteras av Irving o.a. (före vs efter operationen: 41,6 dB ± 3,3 vs 76,6 dB ± 4,4, p = 0,02, n = 3) 5, vi uppnått samma efter öronbedövande tröskelvärde (75,7 dB ± 3,7 vs 76,6 dB ± 4,4). 0,05% neomycin tros orsaka en partiell förlust av hörsel, främst genom snabba yttre hår celldöd, eftersom inre hår cellförlust tar längre tid att inträffa27. Det är därför möjligt att electrophonic svar, som är genererat både av inre och yttre hårceller4,8,9,10,11,12, är endast delvis elimineras i deafened djur med kvarvarande hörsel. Även om 0,05% (vikt/volym) neomycin inte minskar antalet spiral ganglion nervceller 4 veckor efter öronbedövande5, det är ännu okänt om neomycin i vår akut setup påverkar hörselnervens fibrer eller främjar synaptopathy (förlust av synapser mellan inre hårcellerna och typ nerv jag auditiv fibrer). En annan osäkerhet är att aktuell neomycin behandling inte kan producera en enhetlig fördelning av hår cellförlust längs cochlean. Framtida studier krävs för att besvara dessa frågor.
Sammanfattningsvis gör det växande antalet genetiska modeller för mänskliga dövhet och biokemiska verktygen musen en attraktiv djurmodell för auditiv forskning, inklusive fältet av CIs.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka Pierre Stahl, Oticon Medical, Nice, Frankrike, för att ge de djur stimulering plattform och råd på stimulering paradigm, och James B. Fallon och Andrew K. Wise från Bionics Institute, Melbourne, Australien, för kirurgiska råd . Detta arbete stöds av ett bidrag från schweiziska National Science Foundation (ERC överföring bidrag till T.R.B.).
Hardware | |||
Sound-proof booth | IAC Acoustics, Winchester, UK | Mac-2 Enclosure RF Shielded Box 2A | |
MF1 Speaker | Tucker Davis Technologies (TDT), FL, USA | ||
PCB microphone | PCB Piezotronics, Inc, NY, USA | Model 378C01 | |
Low impedance headstage | TDT, FL, USA | RA4LI | |
Medusa pre-amplifier | TDT, FL, USA | RA4PA | |
RZ6 auditory processor | TDT, FL, USA | ||
Animal Stimulator Platform | ASP, Oticon Medical, Nice, France | ||
Multimeter | Fluks | #115 | |
Surgical equipment | |||
Closed-loop heating pad | FHC, Inc. ME, USA | ||
Eye ointment | Alcon, CH | Lacrinorm Augengel | |
Acoustic foam | Otoform Ak, Dreve Otoplastik GmbH | #464 | |
Disposable subdermal needle electrodes | Horizon, Rochester Electro-Medical Inc. | S83018-R9, 27G | |
Self-retaining retractor tool (Mini Collibri Retractor) | Fine Science Tools | #17000-01 | |
Suction wedges | Agnthos, SE | #42-886-460 | |
Absorbable paper point (Medium) | WPI, FL, USA | #504182 | |
Intracochlear electrode array | Bionics Institute, Melbourne, Australia | 4 channel | |
Spongostan Standard | Ferrosan Medical Devices | #MS0002 | |
Tissue glue. Loctite 4161 Superbond | Henkel | Part No 19743 | |
Animal Stimulator Platform (ASP) | Oticon Medical, Nice, France | ||
Drugs/chemicals | |||
Ketamine (Narketan) | Provet AG, CH | 100mg/mL, #VQ_320265 | |
Xylazine (Rompun) | Provet AG, CH | Inj Diss 2%, # 1315 | |
Bupivacaine | Compendium, CH | Bupivacain Sintetica inj Diss 0.5% | |
Atropine (Atropinesulfat Amino) | Amino AG, CH | 1 mg/ml | |
Betadine (Povidone/iodine) | Provedic, CH | ||
Neomycin (Neomycin trisulfate salt) | Sigma | N1876-25G, Lot#WXBB7516V | |
Software | |||
BioSigRZ | TDT, FL, USA | ||
Matlab | MathWorks, MA, USA | ||
ASP software | Oticon Medical, Nice, France |