Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Minyatür Domuz: Koklear İmplant Araştırması için Büyük Bir Hayvan Modeli

4.1K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/64174

⸱

28 Temmuz 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1College of Otolaryngology Head and Neck Surgery, Chinese PLA General Hospital, 2National Clinical Research Center for Otolaryngologic Diseases, 3Key Lab of Hearing Science, Ministry of Education, 4Beijing Key Lab of Hearing Impairment for Prevention and Treatment

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

Minyatür domuzlar (mini domuzlar), koklear implantlarla ilgili araştırmalar için ideal bir büyük hayvan modelidir. Mini domuzlarda koklear implantasyon cerrahisi, insanlara benzer bir canlı sistemde yeni elektrot dizilerinin ve cerrahi yaklaşımların güvenliği ve potansiyel performansı hakkında ilk kanıtları sağlamak için kullanılabilir.

Özet

Koklear implantlar (Kİ), ileri ila çok ileri derecede sensörinöral işitme kaybı olan kişileri tedavi etmek için en etkili yöntemdir. Kİ'ler dünya çapında kullanılmasına rağmen, Kİ'li hastalarda veya hayvan modellerinde elektrofizyoloji ve histopatolojiyi araştırmak veya elektrot dizilerinin yeni modellerini değerlendirmek için standart bir model bulunmamaktadır. İnsanlarınkine benzer koklea özelliklerine sahip büyük bir hayvan modeli, insanlarda kullanılmadan önce gelişmiş ve modifiye diziler için bir araştırma ve değerlendirme platformu sağlayabilir.

Bu amaçla, iç kulak anatomisi insanlarınkine oldukça benzeyen Bama mini domuzları ile standart Kİ yöntemleri oluşturduk. İnsan kullanımı için tasarlanan diziler, yuvarlak bir pencere zarından mini domuz kokleasına implante edildi ve insan CI alıcıları için kullanılana benzer bir cerrahi yaklaşım izledi. Array yerleştirmeyi, işitme sinirinin fonksiyonunu değerlendirmek için uyarılmış bileşik aksiyon potansiyeli (ECAP) ölçümleri izledi. Bu çalışmada hayvanın hazırlanması, cerrahi basamaklar, dizi yerleştirilmesi ve intraoperatif elektrofizyolojik ölçümler anlatılmaktadır.

Sonuçlar, insanlar için kullanılan aynı CI'nin standartlaştırılmış bir cerrahi yaklaşımla mini domuzlara kolayca implante edilebileceğini ve insan CI alıcılarında ölçülen benzer elektrofizyolojik sonuçlar verdiğini göstermiştir. Mini domuzlar, insanlara uygulamadan önce yeni elektrot dizilerinin ve cerrahi yaklaşımların güvenliği ve potansiyel performansı hakkında ilk kanıtları sağlamak için değerli bir hayvan modeli olabilir.

Giriş

Dünya Sağlık Örgütü'ne (WHO) göre, dünya çapında 1 milyardan fazla insan işitme kaybı riski altındadır ve 2050 yılına kadar dört kişiden birinin işitme kaybına maruz kalacağı tahmin edilmektedir1. Son 2 yılda, CI'ler kalıcı şiddetli ve derin sensörinöral işitme kaybı (SNHL) olan kişiler için en etkili müdahale olmuştur. Bir CI, fiziksel ses sinyallerini saç hücrelerini atlayarak spiral ganglion nöronlarını (SGN'ler) uyaran biyoelektrik sinyallere dönüştürür. Zamanla, bir CI endikasyonları genişletildi, böylece artık işitme, tek taraflı işitme kaybı ve çok yaşlı veya genç insanlar 2,3,4 olan kişileri içeriyorlar. Bu arada, tamamen implante edilebilir CI'ler ve gelişmiş diziler geliştirilmiştir5. Bununla birlikte, bir CI ile iç kulağın elektrofizyolojisini ve histopatolojisini araştırmak için ekonomik olarak uygulanabilir büyük bir hayvan modeli yoktur. Büyük bir hayvan modelinin bu eksikliği, CI'leri iyileştirmeye ve CI'lerin iç kulak üzerindeki elektrofizyolojik etkisine dair fikir edinmeye çalışan araştırmaları sınırlar.

CI araştırmalarında fare6, gerbil7, sıçan8 ve gine domuzu9 gibi çeşitli kemirgen hayvan modelleri uygulanmıştır; Bununla birlikte, morfolojinin ve elektrofizyolojik yanıtların özellikleri insanlardakinden farklıdır. Geleneksel olarak Kİ çalışmaları için kullanılan kediler, kobaylar ve diğer hayvanlar gibi hayvan modellerinin koklear yapıları, insan koklear yapılarınınkinden büyük ölçüde farklıdır10. Dizi yerleştirme kediler11 ve tavşanlar12 üzerinde yapılmış olmasına rağmen, daha küçük kokleaları nedeniyle, bu insanlarda kullanılmak üzere tasarlanmamış dizilerle yapıldı. CI için birkaç büyük hayvan modeli de araştırılmıştır. Kuzular atravmatik koklear implantasyon için bir eğitim modeli olarak çok uygundur, ancak kokleanın daha küçük boyutu tam dizi yerleştirmeyi imkansız kılar13. Primatlar, insanlara anatomik benzerlikleri nedeniyle Kİ araştırması için en uygun hayvanlar olabilir14,15; Bununla birlikte, maymunların cinsel olgunluğu gecikir (4-5 yıl), gebelik süresi yaklaşık 165 güne kadardır ve her dişi genellikle yılda sadece bir yavru üretir16. Bu nedenler ve pahalı maliyet, CI araştırmalarında primatların kapsamlı bir şekilde uygulanmasını engellemektedir.

Buna karşılık, domuzlar 5-8 ayda cinsel olgunluğa ulaşır ve ~ 114 günlük bir gebelik süresine sahiptir, bu da domuzları CI araştırması için büyük bir hayvan modeli olarak daha erişilebilir hale getirir16. Bama mini domuzları (mini domuzlar), 1985 yılında Çin'de genetik geçmişi iyi anlaşılmış küçük boyutlu bir domuz türünden kaynaklanmıştır. Doğal küçük boyut, erken cinsel olgunluk, hızlı üreme ve yönetim kolaylığı ile karakterizedirler17. Mini domuz, morfoloji ve elektrofizyolojideki insanlara benzerliği nedeniyle otoloji ve odyoloji için ideal bir modeldir18. Bir Bama mini domuzun scala timpani uzunluğu 38.58 mm'dir, bu da insanlarda 36 mm uzunluğa yakındır10. Mini domuz kokleası, insanlarda görülen 2.5-3 dönüşe benzeyen 3.5 dönüşe sahiptir10. Morfolojiye ek olarak, Bama mini domuzlarının elektrofizyolojisi de insanlarınkine oldukça benzerdir18. Bu nedenle, bu çalışmada, insan kullanımı için tasarlanmış dizileri yuvarlak pencere zarı aracılığıyla mini domuz kokleasına yerleştirdik ve insan Kİ alıcılarında kullanılana benzer bir cerrahi yaklaşım izledik. Prosedürü değerlendirmek için intraoperatif ECAP ölçümleri uygulandı. Burada tanımladığımız süreç, hem CI'lerle ilişkili klinik öncesi translasyonel araştırmalar için hem de yerleşik eğitim için bir platform olarak kullanılabilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Tüm prosedürler ve hayvan ameliyatları PLA Genel Hastanesi Etik Komitesi yönergelerine göre yürütülmüş ve onaylanmıştır.

1. Anestezi ve cerrahi hazırlık

  1. Domuzu (erkek, 2 aylık, 5 kg) 10-15 mg / kg'lık bir dozajla tiletamin ve zolazepam ile kaslı bir şekilde enjekte edin ve 5.5-Fransız endotrakeal tüpü ile entübe edin. İzofloran inhalasyonu ile ventilatör destekli solunum yoluyla anesteziyi sürdürün. Domuzun diline bağlı bir EKG monitörünün nabız oksimetre kelepçesini kullanarak oksijen doygunluğunu (% >90), nefes almayı (15-20 / dak) ve kalp atış hızını (60-120 atım / dak) izleyin.
  2. Mini domuzu hipotermiyi önlemek için termostatik olarak düzenlenmiş bir ısıtma yastığı üzerine sol yanal pozisyonda (sağ taraf implante edildiğinde) yerleştirin. Domuzun çeşitli uyaranlar kullanılarak yeterince uyuşturulduğunu doğrulayın. Tüm tepkilerin olmamasını sağlayın (örneğin, ayak parmağı sıkıştırma refleksi). Korneanın kurumasını önlemek için minidomuzun gözlerine yapay gözyaşı merhemi uygulayın. Tıbbi bir yama kullanarak gözleri kapalı tutun.
  3. Kulak memesi etrafındaki cerrahi alanı tıraş edin, çapı 10 cm (Şekil 1) tutun ve merkezden dışarıya doğru dairesel bir hareketle üç alternatif iyot ve alkol çubuğu ile dezenfekte edin. Cerrahi bölgeyi steril cerrahi örtülerle örtün.
  4. Mikroskobu steril bir plastik manşonla örtün ve göz merceklerini ve hedefi kaplayan parçaları çıkarın.

2. Cerrahi prosedür

  1. Kokleanın yüzey projeksiyon bölgesini kulak memesi seviyesinde, posterior auriküler sulkusun 1 cm arkasında bulun. #15 neşter kullanarak projeksiyon bölgesi merkez olarak yaklaşık 5 cm uzunluğunda bir posturiküler kesi yapın. Mastoid kemiğin yüzeyini açığa çıkarmak için deri altı dokusunu, parotis bezini ve sternokleidomastoid kasını mikro makasla bölün (Şekil 2A). Kanamayı en aza indirmek için gerektiğinde bipolar koter kullanın.
  2. Kortikal mastoidektomi
    1. Mastoidi, kokleanın mastoid kemik üzerindeki yüzey projeksiyonunda (Şekil 2B) yoğun ve soluk mavi olan dış işitme kanalına (EAC) delin. Kanamayı önlemek için fasiyal sinir dorsalının soluk veya kırmızımsı dikey segmentini EAC'ye zarar vermemeye dikkat edin (Şekil 2C).
      NOT: Fasiyal sinir hasar görürse, bipolar koter kanamayı durdurmak için iyi bir seçimdir.
  3. Arka kemikli EAC'yi çevreleyen kemiği delerek timpanumu açığa çıkarın (Şekil 2D). Fasiyal sinire zarar vermemek için EAC'nin cildini ve fasiyal siniri hipodermik bir iğne ile ayırın. Timpanumu (kemikçik zincir dahil) ve yuvarlak pencere nişini (Şekil 3A) ortaya çıkarmak için EAC'nin derisini dikkatlice itin.
  4. Yuvarlak pencere membranını ortaya çıkarın. Yuvarlak pencere nişini küçük bir elmas çapak ile çıkarın ve kokleanın ve yuvarlak pencere zarının bazal dönüşünü ortaya çıkarmak için sürekli emme-sulama yapın (Şekil 3B).
  5. Alıcı paketini sabitleyin. Kraniyal parietal kası, alıcı için yeterince büyük bir cep oluşturmak için ayırın. Dahili alıcı paketini kas cebine yerleştirin ve bir sabitleme sütürü ile sabitleyin.
  6. Kas cebine sabitlenmiş bir alıcıya bağlı olan elektrot dizisini, yuvarlak pencere zarını keskin bir mikrocerrahi bıçakla açarak ve diziyi kokleanın modiolusuyla ilişkili olarak yavaş, istikrarlı ve sürekli olarak mikro forseps kullanarak yerleştirerek yerleştirin (Şekil 3C). Cerrahi insizyonu emilebilir bir dikişle 2-0 dikiş.
  7. ECAP ölçümleri
    NOT: Kurulum, stimülasyon cihazı (MAX Programlama Arayüzü) ve CI bobini aracılığıyla hastanın koklear implantına (CI) bağlı MAESTRO Yazılımına sahip bir PC'den oluşur.
    1. CI bobinini deri yoluyla CI alıcısına manyetik olarak bağlayın. CI'nin bütünlüğünü onaylayın ve MAESTRO Yazılımı tarafından otomatik olarak yürütülen CI'nin telemetri fonksiyonunu kullanarak ECAP ölçümlerinden önce tüm kanallar için elektrot empedansını kontrol edin (Şekil 4A, B).
    2. ECAP ölçümlerini daha önce açıklandığı gibi yapın19. ECAP modülünü seçin, stimülasyon için 12 elektrotun tümünü seçin ve elektrotların ECAP testlerinin tamamlanmasını bekleyin. ECAP yanıtlarını ölçmek için kullanılan yazılım ve stimülasyon cihazı için Malzeme Tablosuna bakın. 30 μs faz süreli bifazik uyaranları kullanarak, alternatif polarite paradigmasıyla, ortalama 25 yineleme ve 45.1 darbe / sn stimülasyon oranıyla ECAP ölçümleri için 12 elektrotun tümünü uyarın.

3. Postoperatif bakım

  1. Sternal yassılığı korumak için yeterli bilinci yeniden kazanana kadar bilinçsiz hareketten kaynaklanan zararı önlemek için mini domuzu izlemeye devam edin. Hipotermiyi önlemek için minipigi termostatik olarak düzenlenmiş ısıtma yastığına koyun.
  2. Mini domuzu sadece ev kafesine geri yerleştirin.
  3. 7 gün boyunca postoperatif enfeksiyonu önlemek için antibiyotik enjekte edin.
  4. Mini domuzu nistagmus, sirkülasyon veya yuvarlanma gibi vestibüler yaralanma belirtileri açısından kontrol edin.

4. Postoperatif BT taraması

  1. Anesteziyi indüklemek için minipig'e %3 sodyum pentobarbital 1 ml/kg ve 0.1 ml/kg Sülforafan intramüsküler enjeksiyonu uygulayın. Sıcak tutmak için 37°C'lik bir ısıtma plakası kullanın. 3 veya 5 dakika sonra, bir BT taraması yapılabilir.
  2. Elektrot dizisinin doğru konumunu doğrulamak için, mini domuzu ameliyattan 1 hafta sonra tiletamin ve zolazepam ile narkotikleştirin. BT taramasını ve 3B yeniden yapılandırma20'yi 3B dilimleyici görüntü hesaplama platformunu kullanarak gerçekleştirin (bkz. CT'nin DICOM verilerini içe aktarın ve CI'nin 3D görüntülerini elde etmek için Birim oluşturma modülünü yürütün.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

CI'nin bütünlüğü (Şekil 4A) ve empedansları (Şekil 4B) MAESTRO Software tarafından doğrulanmıştır. ECAP sonuçları, 12 elektrotun hepsinin iyi nöral tepkiler gösterdiğini göstermiştir (Şekil 4C), yani elektrot dizisi koklear eksene iyi bağlanmış ve işitme sinirini uyarmıştır. Şekil 5'te sağ kokleada postoperatif 3D yeniden yapılandırılmış elektrot bobinleri görülmektedir. Dizi katlanmadı veya yerinden çı...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Dünya nüfusunun yaklaşık% 15'inde bir dereceye kadar işitme kaybı vardır ve% 5'inden fazlasında işitme kaybı21 devre dışı bırakmaktadır. CI provizyonu, ileri ve ileri derecede sensörinöral işitme kaybı olan hem yetişkin hem de pediatrik hastalar için en etkili tedavidir. İlk başarılı implante edilebilir kranial sinir stimülatörü olarak, son 2 yılda CI'ler, işitme kaybı olan binlerce insana ses dünyasına geri dönme ve ana akım topluma (yeniden) entegre olma fırsatı sunmuştur. CI'ler artık orijinal ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (No. 81970890) ve Chongqing Bilimsel Araştırma Enstitüsü Performans teşvik projesi (No. 19540) tarafından finanse edilmiştir. MED-EL şirketinden Anandhan Dhanasingh ve Zhi Shu'ya destekleri için teşekkür ederiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
0,5 mm elmas çapak
1 mm elmas çapak
5 mm elmas çapak
2-0 sütür ipek
3D Dilimleyici görüntü hesaplama platformuCT görüntüsünün 3D rekonstrüksiyonu
Alkol
Bipolar koter
Bipolar elektrokoagülasyonKanamayı durdurun
Kİ insan kullanımı için tasarlanmış (CONCERTO FLEX28)MED-EL  Konçerto F28
Pansuman forseps
EKG monitörü
İyot tentürü
İzofluran3.6 mL/h
Laringoskop
MAESTRO YazılımıMED-ELECAP yanıtlarını ölçün
Mikro forseps
Mikro spatula
Sivrisinek forseps
İğne tutucu
İğne probu
Negatif basınç emme cihazı
Otolojik cerrahi aletler >
Solunum Anestezi Makinesi
Neşter bıçaklı No. 15
Makas
Tıraş Makinesi
Stimülasyon cihazı (MAX Programlama Arayüzü)MED-ELECAP yanıtlarını ölçün
Cerrahi mikroskopLeica
Cerrahi matkap
Cerrahi Güç Cihazı
Tiletamin ve zolazepan10-15 mg / kg
Doku forseps
Trakea kanülü

Kaynaklar

  1. World Health Organization. World report on hearing. World Health Organization. , Geneva, Switzerland. Available from: https://www.who.int/publications/i/item/world-report-on-hearing (2021).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Rhodes, R. M., Tsai Do, B. S. Future of implantable auditory devices. Otolaryngologic Clinics of North America. 52 (2), 363-378 (2019).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Yi, H., et al. Miniature pigs: A large animal model of cochlear implantation. American Journal of Translational Research. 8 (12), 5494-5502 (2016).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Yin, P., Li, S., Li, X. J., Yang, W. New pathogenic insights from large animal models of neurodegenerative diseases. Protein & Cell. , (2022).
  17. 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).
  18. Guo, W., et al. The morphology and electrophysiology of the cochlea of the miniature pig. The Anatomical Record. 298 (3), 494-500 (2015).
  19. 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).
  20. 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).
  21. The Lancet. Hearing loss: An important global health concern. The Lancet. 387 (10036), 2351(2016).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Li, H., et al. Guided growth of auditory neurons: Bioactive particles towards gapless neural - electrode interface. Biomaterials. 122, 1-9 (2017).
  25. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Minyatür Domuz ModeliKoklear İmplantasyonKoklear İmplantlarElektrot Dizisi YerleştirmeUyandırılmış Bileşik Aksiyon Potansiyeliİşitme Siniri FonksiyonuRound Window MembranıÜç Boyutlu RekonstrüksiyonCerrahi Yaklaşım
Minyatür Domuz: Koklear İmplant Araştırması için Büyük Bir Hayvan Modeli
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.