在啮齿动物脊髓中植入光电器件

摘要

该协议详细介绍了用于进行脊髓手术以及在啮齿动物脊髓上植入和固定光学柄的外科手术。

摘要

神经调控可以提供诊断、调节和治疗应用。虽然已经在大脑中进行了广泛的工作，但脊髓的调节仍然相对未得到探索。脊髓组织本身脆弱且可移动，因此存在一些限制，这使得神经探针的精确植入具有挑战性。尽管神经调控装置，特别是柔性生物电子学最近取得了进展，但由于装置植入的手术复杂性，扩大它们在脊髓中的使用的机会受到限制。在这里，我们提供了一系列专为植入与啮齿动物脊髓接口的定制光电设备量身定制的手术方案。此处详细介绍了通过两种不同的手术植入方法将光学柄放置和锚定在脊髓的特定节段上的步骤。这些方法针对各种设备和应用进行了优化，这些设备和应用可能需要也可能不需要直接接触脊髓进行光学刺激。为了阐明该方法，首先参考椎体解剖结构以确定突出的标志，然后再进行皮肤切口。演示了将光学柄固定在啮齿动物颈椎上的手术步骤。然后概述了将连接到光学柄的光电器件固定在远离脊髓的皮下空间的程序，从而最大限度地减少不必要的直接接触。将接受植入物的动物与接受假手术的动物进行比较的行为研究表明，光学柄在植入后 7 天不会对后肢或前肢功能产生不利影响。目前的工作拓宽了神经调控工具包，用于未来旨在调查各种脊髓干预的研究。

引言

脊髓促进一系列基本的中枢神经系统功能，从协调运动行为到调节稳态过程，如呼吸 ^1,2。阐明跨脊髓的复杂电路网络的作用需要接口，无论是电刺激、记录、药物输送还是对目标区域的光刺激 3,4,5,6。尽管已经开发了能够进行此类审讯的设备 ^7,8,9,10,11，但它们在脊髓中的慢性植入需要专门的手术技术 ⁴。特别是，脊髓和相关椎骨对自然运动（如伸展和弯曲）引起的机械变形的敏感性增加 ^8,12,13。脊髓的这些独特特性使得确保植入的探针在很长一段时间内保持稳定、功能和固定在特定节段本质上具有挑战性。

在此，描述了一种手术方案，用于将光学柄插入和固定脊髓的目标段（图 1A）。由于与颈部区域接触尤其被证明会带来独特的挑战⁹，因此在 C5 颈部区域专门展示了植入步骤。据推测，颈椎的复杂性源于其更深的位置和丰富的肌肉组织，这一特征在脊髓的其余部分并不那么突出。无论如何，本协议中概述的程序旨在适用于各种脊髓区域的手术。提供了逐步说明，以使用可从皮肤上识别的明显解剖“标志”来定位和识别脊髓节段（图 1B）。然后，该方案阐明了两种外科植入技术：一种是为需要与脊髓直接接触的探针量身定制的，另一种是为可能不需要直接接触的探针量身定制的。所描述的步骤旨在由任何受过啮齿动物生存手术培训的研究人员复制。

该协议包括在 C5 颈椎水平上植入带有柔性光学柄的光电设备 （18 mm x 13 mm） 的分步说明。植入式装置固定在 C5 尾部的皮下，由一个微型发光二极管 （μLED） 指示器组成，当脊髓光刺激发生时，该指示器会亮起，提供设备功能的实时反馈。在接受植入物的啮齿动物身上评估植入的光学柄对自然运动功能的影响，并与接受假手术的啮齿动物进行比较。结果表明，探针在植入后 7 天不会对动物的自然后肢和前肢功能产生不利影响。

研究方案

所有程序均根据加拿大动物护理委员会的指导方针进行，并由不列颠哥伦比亚大学动物护理委员会监督。将体重 350-450 g、年龄 6-8 个月的雌性 Long-Evans 大鼠分组饲养 （21 °C;12 h：12 h 光周期），并在手术前后 随意 给予标准啮齿动物饮食。用于本研究的试剂和设备的详细信息列在 材料表中。

1. 术前准备

1. 使用高压灭菌器对所有手术工具进行消毒。
2. 用异氟醚（5% 用于诱导和 2% 用于维持）以 1 L/min 的流速输送在氧气中麻醉动物。
3. 将动物从感应室转移到加热垫上，并立即连接异氟醚鼻锥。通过确保双腿完全失去脚趾捏反射，验证动物是否处于手术麻醉平面下。
4. 从耳朵底部开始剃掉大鼠的背部，如图 2A 所示。
5. 在眼睛上涂抹大量无菌眼药膏，皮下注射丁丙诺啡（稀释至 0.03 mg/kg）和 10 mL 乳酸林格（加热至体温）。
6. 用抗菌手术擦洗膏（洗必泰），然后用异丙醇以圆周运动擦拭剃光区域，从剃光区域的中心开始，加宽圆直径。再重复肥皂/酒精过程两次。
7. 将动物固定在立体定位框架中，使用润滑的耳杆定位头部以保持稳定性（图 2A）。
   注意：在整个过程中，始终如一地提供热支持，通过脚趾捏反射验证麻醉深度，并监测生命体征。
8. 将无菌手术单放在动物顶部。

2. 颈脊髓暴露

1. 使用无菌镊子，首先触诊颅底。感觉有一个突出的棘突，向颅底附近尾部延伸;这是 C2¹⁴ （图 1B 和 图 2B）。
2. 继续对 C2 尾部进行触诊，发现一个明显尖锐的棘突，可识别为 T2¹⁵ （图 1B 和 图 2C）。
3. 使用手术刀在皮肤上切开一个切口，从 C2 开始，向尾部延伸约 1.5 厘米（图 2D）。
   注意：不同大小的动物的切口大小可能会有所不同。确保提前确定解剖标志并相应地进行。
4. 用手术刀小心地切开皮下脂肪层，露出完整的底层背肌组织。
5. 一旦背肌暴露出来，使用两个 Adson 镊子将它们从中线拉开进行钝解剖（图 2E）。
   注意：重要的是进行钝性解剖（将肌肉纤维拉开）而不是切割肌肉以尽量减少出血。背侧肌肉组织的充分暴露应露出球形肌肉（图 2G）。这块肌肉完全覆盖 C2 部分覆盖 C3。
6. 使用咬合钳和无菌镊子，立即从尾部提起一块皮肤，直至切口区域。使用 rongeurs 创建一个小的皮下袋 - 这将是设备的位置（图 2F）。
   注意：皮下袋应大于设备本身。建议外科医生重新定位自己以面向动物前方，以提高打开皮下袋时的控制和可见性。
7. 放置一个牵开器以露出脊柱（图 2G）。
8. 使用 rongeurs，去除覆盖椎骨的任何剩余肌肉或组织，并开始识别脊髓节段。紧邻球形肌肉尾部的是 C4，其次是 C5 和 C6（图 2G-I）。完成后，用无菌盐水冲洗手术区域并用无菌纱布擦干。
   注意：球形肌肉完全包裹 C2 并部分延伸到 C3 上。直接位于其尾部的脊髓段，接触最少，称为 C4。
9. 根据探针的预期目的进行椎板切除术。
   1. 对于椎板下的探针，在 C5 和 C6 进行横向椎板切除术，在椎板中创建一个侧向开口，以备将来放置探针（图 2H， 补充图 1A）。
   2. 对于椎板上的探针，进行 C5 的内侧椎板切除术，确保不去除棘突的外侧 - 仅暴露用于探针放置的内侧通路（图 2I， 补充图 1B）。
   3. 椎板切除术后，用无菌盐水冲洗该区域并用无菌纱布擦干以去除任何骨碎屑。
      注意：进行椎板切除术时，将咬骨向上推到骨骼上并避免任何向下运动以防止损伤脊髓至关重要。

3. 设备的硬膜外放置

1. 用塑料尖端无菌镊子握住无菌装置（图 3A），并将其驱动到步骤 2.9 前面制作的皮下开口内。
   注意：为避免使用非无菌手套/工具接触设备以保持设备无菌至关重要。使用指定的无菌镊子在皮下放置和定位装置。
2. 将设备缝合或粘合到相邻的肌肉层以确保其安全（图 3B）。
   注意： 如果将设备缝合到肌肉上，请使用不可吸收的缝合线。否则，该装置在体内缝合吸收后容易移动。如果使用胶水，请确保胶水/胶粘剂的长期稳定性和生物相容性。避免将设备固定在皮下脂肪/脂肪层，以确保可靠的锚定点。
   1. 在继续执行此步骤之前，请规划设备主体位置。由于该装置将被永久固定，因此如果装置距离脊髓所需水平太近或太远，则可能会出现探针放置问题（步骤 3.4）。
3. 将牵开器放在脊髓周围，并打开一个合适的窗口，将探头放在脊髓上。
4. 探头放置：
   1. 探针放置在叶片下：使用塑料尖端镊子小心地将探针滑过步骤 2.9.1 中制作的侧向通道，将其插入（C5 和 C6）叶片下方（图 3D）。
   2. 探头放置在脊髓上：
      1. 使用塑料尖端镊子调整探针以对齐并将探针尖端放在步骤 2.9.2 中在 C5 创建的内侧窗口的顶部（图 3C）。
5. 在一个无菌的、小的、最好是陶瓷的容器中，混合一勺牙科水泥粉、3 滴高科技润滑脂和一滴催化剂来制备水泥。与无菌牙签混合，直到达到粘稠度。
   注意：强烈建议一名不进行手术的人准备粘接剂，以便外科医生可以在涂抹粘接剂之前立即将探头固定到位并干燥所需的区域。此步骤对时间敏感。确保外科医生在准备粘接剂之前定位探头。一旦使用催化剂，如果延迟，水泥会变得太稠，无法有效地与骨骼结合。手术前使用粘接剂进行练习，以确保在将其放置在探针/骨骼上之前达到适当的稠度。
6. 将椎骨上预期的粘合区域完全干燥，以形成可靠的锚点。在探针尖端涂抹 1-2 滴牙科水泥，应将其放置在预期的椎骨水平顶部，在这种情况下为 C4（图 3C，D）。
   注意：在粘合之前，椎骨必须尽可能干燥。否则，水泥将无法粘附，探头将无法固定。
7. 暂停 30 秒并轻轻触摸水泥以验证其是否已固化。
8. 如果水泥没有完全固化，请再等待 20 秒，然后重新涂抹新鲜制成的水泥，直到探针牢固地固定在骨头上。
   注意：当粘接剂摸起来变硬时，它已经正确粘合。
   注意： 在粘接剂太稠时涂抹水泥可能会导致其渗入椎骨之间的脊髓组织。如果发生这种情况，请等待大约 10 秒，让水泥变稠至更像牙龈的稠度，然后轻轻使用镊子去除与脊髓接触的水泥。

4. 术后程序

1. 手术完成后，使用 5-0 维克缝合线缝合切口部位。轻轻地将动物从立体定位装置中取出，并将其转移到加热的恢复室中。在手术后的最初 3-5 天内，为动物提供柔软、湿润的食物、零食和水凝胶水。
2. 在手术后第一周每天两次彻底监测动物。在接下来的 2 天内，每天两次给予丁丙诺啡和温热的乳酸林格氏注射液，如果疼痛迹象持续存在，则延长注射时间。继续每日检查，直到动物没有临床健康问题。此后，每周至少检查一次动物。
3. （可选）在手术和切口闭合后勾勒出设备在皮肤上的周边，以直观地指示设备在体内的位置（图 4A）。
   注意：当设备需要外部访问时，此步骤特别有用，例如需要通过天线耦合至关重要的外部发射器进行无线供电的设备，或必须通过皮肤重新填充的给药泵 16,17,18。

结果

将 补充图 2 中所示的具有详细功能图的光电器件植入四只 Long Evans 大鼠体内。 补充图 3 显示了准备植入的最终光电器件。其他 3 只动物接受了假手术，其中涉及 C5 的内侧椎板切除术，无需植入装置。光电器件由一个尖端带有嵌入式 μLED 的柔性探针组成，该探针由集成的 LED 驱动器激活。LED 驱动器由具有可编程固件的微控制器控制。它还包括一个装置主体，该装置主体被缝合到皮肤下的肌肉层。使用化学气相沉积 （CVD） 在整个器件上沉积一层聚对二甲苯 C （~10 μm）。第二层聚二甲基硅氧烷 （PDMS） （~800 μm） 覆盖光电器件主体（补充图 3），与组织形成柔软的界面。探针尖端固定在 C4 处，μLED 悬停在 C5 上。器件上使用了 μLED 指示灯（从皮肤下可以看到其光线），该指示灯与光学柄的 μLED 同时亮起，用于实时验证器件功能。手术后对动物进行了 7 天的监测，以确认它们的性能随时间推移的持续可靠性（图 4B）。

使用 Martinez 旷场运动评定量表¹⁹ 评估动物的运动功能。为了评估旷场行为，两名不了解治疗组的训练有素的观察员在手术前以及手术后第 3 天、第 5 天和第 7 天进行了测试。数据收集后，进行 Mann-Whitney U 检验以确定植入物组和假手术组之间前肢和后肢评分在每个时间点的差异。我们的分析表明，到第 7 天，种植体组和假手术组的前肢功能评分相似（图 5A）。同样，在所有时间点的后肢评分方面，两组之间没有统计学上的显着差异（图 5B）。

植入后 7 天进行尸检，以确认探针和设备主体是否保持在原位。未发现缝合线或装置的明显脱落。此外，拉动设备主体不会导致其与组织分离（补充图 4A）。然后将先前解剖和缝合的肌肉暴露在脊髓上，并确认探针仍然牢固地粘合在脊髓上（补充 图 4B）。与设备本体类似，探针头连续向后拉靠着胶合点，以评估其与探针层机械接头的附着。

图 1：装置植入和解剖标志的示意图概述。 （A） 演示探针在脊髓上的位置和设备在皮下的位置。（B） 3D 模型，指示用于确定脊髓水平的标志。显示了 C2、T2 和 T10 棘突以供参考。较深的颜色表示相应的级别。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2：暴露脊髓并准备皮下袋。 （A） 立体定位装置位于动物身上。（B） C2 棘突和 （C） T2 棘突 通过 触诊确定。（D） 穿过皮肤和皮下脂肪层切开，以暴露颈椎水平感兴趣点的背肌组织。（E） 通过钝器解剖背侧肌肉组织，暴露颈椎。（F） 创建一个皮下袋以将植入式装置尾部固定到切口部位。（G） 充分解剖后放置牵开器，露出颈椎和球形肌肉，完全覆盖 C2 并部分掩盖 C3。虚线表示球形肌肉。一旦颈脊髓暴露，（H） 在 C5 和 C6 进行两次外侧椎板切除术以在椎骨下放置探针，或 （I） 在 C5 进行内侧椎板切除术以将探针放置在椎骨上。星号表示外侧椎板切除术的部位。比例尺 = 3 毫米。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3：设备植入和探针放置。 （A） 将装置放置在皮下袋中。（B） 将装置缝合到肌肉组织上。（C） 探针固定在已接受内侧椎板切除术的 C5 椎板顶部。（D） 该装置放置在 C5 和 C6 椎板下方，它们都接受了外侧椎板切除术。在 （C） 和 （D） 中，探针尖端都粘合在完整的 C4 上。比例尺 = 3 毫米。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 4：术后标记设备和验证功能。 （A） 缝合后可以选择在皮肤上标记设备的位置，以便于术后识别。（B） 该图描绘了动物植入后的情况。通过观察皮肤下可见的 μLED 指示剂来验证设备的功能，确认设备成功运行（动物右侧的凸起是设备主体植入的位置）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5：假手术组和种植体组的前肢和后肢性能随时间变化的 Martinez 旷场行为评分。 这些图说明了 （A） 前肢和 （B） 后肢旷场评估在四个时间点的平均行为评分：0（基线）、植入后 3 天、5 天和 7 天 （DPI）。误差线表示均值 （SEM） 的标准误差。假手术组和种植体组之间的显着差异 （p < 0.05） 在特定时间点用星号 （*） 表示。图例用虚线表示假手术组，而种植体组用实线表示。假样本量为 n = 3，植入物为 n = 4。采用非参数 Mann-Whitney U 检验评价各时间点组间差异的显著性。 请单击此处查看此图的较大版本。

补充图 1：椎板切除术的插图。 虚线表示 （A） 两个外侧椎板切除术用于在椎骨下放置探针，以及 （B） 内侧椎板切除术用于探针放置在椎骨上。 请点击此处下载此文件。

补充图 2：光电器件的示意图。 显示了设备的详细框图。左上角的块描绘了无线电源接收器天线谐振 LC 谐振电路。接收的功率经过整流并馈入低压差稳压器 （LDO）。微控制器单元根据编程参数自动激活器件，LED 驱动器为探头中嵌入的任何 μLED 供电。 请点击此处下载此文件。

补充图 3：光电器件。 具有生物相容性封装的最终光电器件连接到尖端包含 1 μLED 的光学柄。虚线矩形描述了 μLED 的位置。 请点击此处下载此文件。

补充图 4：设备稳定性的事后验证。 植入后 7 天，（A） 装置主体在植入时的位置保持与肌肉组织缝合，并且 （B） 胶合探针仍固定在 C4 椎板的顶部。 请点击此处下载此文件。

讨论

脊髓的神经调控和治疗干预通常需要将探针放置在精确的目标节段^{3、4、7、13} 中。鉴于脊髓固有的活动性，必须可靠地固定探针才能进行慢性研究。根据具体应用，控制探针是否与脊髓进行物理接触，或者是否可以减少接触以尽可能减轻炎症组织反应可能很重要。因此，描述了两种方法中每一种的手术步骤。该协议特别详细说明了如何在 C5 的脊髓颈段放置探针。尽管如此，使用所描述的脊髓 T2 或 T10 标志，探针可以类似地放置在胸部或腰椎区域的精确位置，方法是分别从 T2 或 T10 开始计数椎骨，一旦它们暴露。此外，为了最大限度地减少脊髓组织损伤，我们将设备主体固定在远离脊髓的皮下空间，与连接的探针相比，它通常更大、更坚硬。

植入与探头耦合的设备有一些关键点。首先，在固结探头之前确定设备主体的位置至关重要。这确保了探针尖端和设备主体之间的距离得到优化，以减少探针上的张力，并避免额外的探针长度，例如，这会导致探针扭曲或位移。从本质上讲，目标是确保探针的长度与从放置设备主体的皮下空间到探针粘合的目标脊髓区域的距离相似。通过进行测试各种探针长度的终端手术程序，可以确定目标段的最佳尺寸。

为了保持无菌，应小心处理装置，以防止在插入皮下袋时与皮肤外层接触。这种接触会损害设备的无菌性，可能导致术后感染。此外，重要的是在用镊子握住设备时尽量减少施加在设备上的力，以防止损坏其涂层，该涂层通常是一层薄的保护、绝缘和无菌层^20,21。去除涂层可能会大大缩短设备的使用寿命，例如，缩短电路、对动物造成电击和/或引起体内炎症反应。用塑料镊子处理装置可能有助于减少此类并发症。

将装置缝合到软组织时，重要的是要避免缝合到皮下脂肪组织。正如在初步试验中观察到的那样，脂肪层不是缝合线的可靠锚定点，因为它们容易破裂。相反，使用不可吸收的缝合线将装置主体缝合到皮下间隙的相邻肌肉层上，以将装置永久放置在体内。另一方面，当将探针固定到棘突上时，重要的是要确保在涂抹水泥之前将探针固定到的部位是干燥的。湿骨/探针会延长固化时间，并可能导致工艺完全失败。

在植入手术之前，需要仔细解决一些与植入式装置相关的关键考虑因素。（1） 器件的电活性部分必须由绝缘钝化层封装。钝化层中的任何剥夺都可能导致器件功能故障。（2） 植入式设备必须根据设施动物协议进行彻底消毒。（3） 设备与神经探针或刺激柄之间的连接处必须牢固形成。由于动物的不断运动，连接将承受可重复的机械应力。（4） 连接到设备的神经探针或刺激柄必须足够灵活且可拉伸，以避免在不同点卡住。

所描述的方案可以扩展到不同大小的动物模型中的植入装置。在确定解剖标志后，可以系统地定制所描述的手术方法，以将任何神经探针或刺激小腿固定在脊髓的目标节段，并植入其相关的控制模块。但是，根据应用的不同，不同的设备可能具有与本文中植入的设备不同的尺寸、材料和厚度;例如，连接到外部控制模块的设备需要额外的考虑。此外，必须注意的是，虽然该协议是为光遗传学刺激量身定制的，但其他神经调节应用，例如药物输送或电刺激/记录，需要略有不同的外科手术。具体来说，这些应用需要硬膜下植入，以确保与硬脑膜下方的脊髓直接接触⁷。然而，对于光遗传学来说，与组织的亲密接触通常是不必要的，因为啮齿动物硬脑膜不会显着阻碍光的穿透，这使得光源能够硬膜外放置¹⁰。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Adson Forceps	Fine Science Tools	11027-12
Alm 3 Point Retractor	Fine Science Tools	17010-10
Buprenorphine / Vetergesic	CDMV	124918	Manufacturer provides at 0.3 mg/mL but must be diluted to 0.03 mg/kg for use in rats
Chlorhexidine 2% Solution	Partnar	PCH-020
Curved Long Hemostat Forceps	KaamKaaj Tools	14.5	Curved Long Hemostat Forceps with A Stainless Steel Ratchet Locking Tweezer
CVD Parylene Machine: SCS Labcoter 2	Specialty Coating Systems	PDS 2010
Dental Cement - Catalyst	Parkell, Inc	S371
Dental Cement - Metabond	Parkell, Inc	S398
Dental Cement - Powder	Parkell, Inc	S396
Forceps with Replaceable Plastic Tips	Fine Science Tools	11980-13
Friedman-Pearson Rongeurs	Fine Science Tools	16121-14
Isoflurane USP	Fresenius Kabi	CP0406V2	Provided at 5% for induction and 2% for mainentance through precision vaporizer
Isopropyl Alcohol 70%	McKesson	350600
Lacri-Lube Sterile Eye Ointment	Refresh
Long Evans Rats	Charles River Laboratories	6
Low temperature solder paste	Chip Quik Inc.	11.38
Magnets	Radial Magnets, Inc.	0.53	Magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) N35 (3.00 mm x 1.00 mm)
Olsen-Hegar Needle Holders with Suture Cutters	Fine Science Tools	12002-12
PDMS: SYLGARD 184	Sigma Aldrich	761036
Scalpel Blades - #15	Fine Science Tools	10015-00
Scalpel Handle - #3	Fine Science Tools	10003-12
Solder flux	Chip Quik Inc.	14.25
Stereotaxic Frame	David Kopf Instruments	Model 900
Sterile Kwik-Sil Adhesive	World Precision Instruments	KWIK-SIL-S
UV Flashlight	Vansky	19.99
Wireless Charger	Nilkin	NKT06
Wireless Charging coil	TDK Corporation	WT202012-15F2-ID