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* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Piezoelektrischen Chirurgie führte zu Verbesserungen in der menschlichen Kiefer- und zahnärztliche Chirurgie. Wir haben ein Protokoll zur Optimierung der piezoelektrischen Chirurgie für kranialen Fenster Chirurgie bei Mäusen entwickelt.
Multiphoton Mikroskopie ist weithin für Neuronen in Vivoimaging angepasst worden. Wiederholte Bildgebung erfordert Implantation eines kranialen Fensters oder wiederholte Verdünnung des Schädels. Kranialen Fensters Operation erfolgt in der Regel mit einem hohen Geschwindigkeit rotierende Bohrer, und viele Forscher finden es schwierig um zu verhindern, dass den Bohrer Beschädigung der empfindlichen Dura und Blutgefäße. Umfangreiche Ausbildung und Praxis ist erforderlich, um den Knochen ohne Beschädigung der darunter liegende Gewebe zu entfernen und so kranialen Fenster Chirurgie kann schwierig, zeitaufwendig und Gewebeschäden zu produzieren. Piezoelektrischen Chirurgie, die umfassend für Gesichtschirurgie und zahnärztliche Chirurgie verwendet wird, nutzt Ultraschall-Schwingungen um Knochen zu entfernen, ohne weiche Gewebe zu beschädigen. Wir haben eine Methode anwenden von piezoelektrischen Chirurgie zur Verbesserung der kranialen Fenster Chirurgie bei Mäusen in der Vorbereitung für die multiphoton Bildgebung entwickelt. Vergleiche in unserem Labor feststellen, dass die Methode weniger Operationszeit erfordert und eine niedrigere durchschnittliche Rate von Komplikationen hat durch dural Blutungen als kranialen Fenster Chirurgie mit einem rotierenden Bohrer.
Kranialen Fensters Chirurgie zur in-Vivo imaging Multiphoton Nagetiere Vorbereitung ist eine wichtige Technik in den Neurowissenschaften geworden. Die Entfernung oder Ausdünnung der Knochen ist muss man die Maus für die optische Bildgebung mit einem multiphoton Mikroskop vorbereiten. Diese Chirurgie wird durch eine Fläche von Knochen, die zugrunde liegenden Dura1aussetzen vollständig zu entfernen oder durch Ausdünnung einer Region des Knochens ohne vollständige Entfernung von Dura2durchgeführt. Der dünne Schädel-Ansatz kann zu weniger Entzündungen und Aktivierung der Mikroglia3 jedoch bietet eine flachere Schärfentiefe-imaging, imaging eine kleinere Fenstergröße (200 µm) und einen begrenzten Zeitraum, während dessen das Fenster wegen Knochen nachwachsen2 abgebildet werden können . Die Zugabe von einem polierten und verstärkte Glasfenster (PoRTS) kann die bildgebenden Größe und bildgebenden Zeitraum verbessern aber ist schwierig,4durchführen.
High-Speed rotierende Bohrer verwenden beide aktuellen Operationen zu dünn oder entfernen die Knochen aus dem Schädel. Die dünne Schädel-Technik nutzt auch ein Skalpell nach den Bohrer weiter Ausdünnen der Knochen-2. Die PoRTS-Technik erfordert den zusätzlichen Schritt der high-Speed-Polieren mit Körnung4. In einer hohen Geschwindigkeit verursacht rotierende Bohrer, angetriebene Luftturbine oder Elektromotor die Bohrkrone mit hoher Geschwindigkeit drehen. Wie rotierende Bohrer Knochen und Weichgewebe Abschnitt, gibt es ein Risiko der Beschädigung der Dura und zugrunde liegenden Blutgefäße. Der Erfolg der Operation hängt von der Geschicklichkeit des Operateurs. Zusätzlich zu diesen Fenstern mit mechanischen chirurgischen Methoden vorbereitet wurde eine chemische Methode optisch den Schädel mit unterschiedlichen Lösungen entwickelten5,6. Da piezoelektrischen Chirurgie eine mechanische Methode der Operation ist, werden unsere Vergleiche hier jedoch auf andere mechanische Methoden beschränkt werden.
Piezoelektrische chirurgische Geräte nutzen Ultraschallschwingungen zum Abbau von mineralisierten Knochen ohne schädliche zugrunde liegende Weichgewebe und bieten somit einen Ansatz um schnell eine große Fläche des Knochens dünn. In einem piezoelektrischen chirurgischen Handstück die Turbine wird durch einen Stapel von Keramikscheiben ersetzt und wenn Strom angewendet wird, die Scheiben vibrieren bei Ultraschall-Frequenzen. Die Schwingungen werden durch das Handstück zu Diamant beschichtete Spitzen Knochen ohne schädliche Weichteile, einen Vorteil gegenüber rotierenden Bohrer durchschneiden, die nicht zwischen Gewebetypen diskriminieren übertragen. Piezoelektrischen Chirurgie wurde ursprünglich für den Einsatz in der Human-von Tomaso Vercellotti entwickelt und führte zu Verbesserungen in Dental und Cranio-Maxilofacial Chirurgie7,8,9,10,11 .
Piezoelektrischen Chirurgie verwendet wurde, um eine Osteotomie in Wistar Ratten zu schaffen und fand durch Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) und Histologie, deutlich weniger Schaden als eine traditionelle Zahnbohrer12zu produzieren. Die Autoren folgerten, dass piezoelektrische Chirurgie sicher zum Entfernen des Knochens in der Nähe von weichen Hirngewebe. Mäuse, haben jedoch ein dünner Dura, die leicht beschädigt ist, und diese Studie chronische optische Bildgebung nicht Windows vorbereiten. Chronische Bildgebung erfordert, dass die Blutgefäße nicht beschädigt werden und unter dem Fenster keine Blutgerinnsel bilden. Schädigung der Dura führt zu Entzündungen, die bewirkt, das Fenster dass in die cloud, und aktiviert Mikroglia und die Verbreitung von reaktiven Astrozyten. Hier haben wir piezoelektrischen Chirurgie für Mäuse dünne Schädel und voller Knochen entfernen kranialen Fenster geeignet für chronische Belichtung erstellen optimiert. Wir verglichen diese Operationstechnik zu kranialen Fenster Operationen mit hoher Geschwindigkeit rotierende Bohrer vorbereitet.
Alle Verfahren, die mit Tieren nach den Standards durchgeführt wurden festgelegt durch die Columbia University Medical Center institutionelle Animal Care und Nutzung Committee (IACUC). Euthanasie erfolgte durch zervikale Dislokation in Narkose mit Ketamin 100 mg/kg und Xylazin 10 mg/kg intraperitoneal injiziert. Alle chirurgischen Eingriffe wurden in einer sterilen Weise durchgeführt (Chirurg trug Kopf Kappe, Gesichtsmaske, sterile Handschuhe und sauber Einweg Kittel) und chirurgische Instrumente wurden zwischen jedem Gebrauch autoklaviert.
(1) präoperativen Schritte
(2) piezoelektrischen kranialen Fenster Chirurgie
3. post OP Pflege
Entfernen Sie bevor Sie mit piezoelektrischen Chirurgie alle verbleibenden Knochenhaut vom Schädel. Sobald der Schädel undurchsichtig und glatt ist (Abbildung 1a), kann der Chirurg piezoelektrischen Chirurgie beginnen. Wenn Sie Knochen mit der vibrierenden Piezo-Spitze zu entfernen, ist es wichtig, den Schädel mit Eis zu bewässern kalt ACFS. Richtige Bewässerung ist erreicht, wenn die unten 1 mm von der Spitze in ACFS (Abbildung 1 b) untergetaucht ist. Ohne richtige Bewässerung wird der Knochen überhitzt und schädigen das Gehirn. Nachdem der Schädel auf die gewünschte Tiefe gewählt durch den Chirurgen ausgedünnt wurde, möglicherweise einige verbleibende Blutungen aus den Blutgefäßen befindet sich im Knochen. Um schnell alle Blutungen aufhören, ein kleiner 1 mm Stück Kollagen Schaum trieft ACFS zum Bereich des Fensters. Lassen Sie das Kollagen sitzen auf den Schädel für ca. 30 s (Abbildung 1 c). Nachdem der Kollagen-Schaum entfernt ist, erscheint das Fenster transparent, sodass klare Visualisierung der Blutgefäße in der Dura. Die Dura werden ohne erhebliche Blutergüsse intakt. (Abbildung 1-d). Erscheint die Dura rot und entzündet, ist es wahrscheinlich aufgrund von defekten Blutgefäße aus zu viel Druck auf die Spitze während der Operation. Zum Schutz des neuen Fensters und chronische Bildgebung vorbereiten, muss ein Glas Deckglas auf der Fläche platziert werden. Eine richtig angewandte Glas Deckglas wird sanft über dem Fenster sitzen und wird auf dem Gebiet keinen Schaden. Die Glas-Deckglas muß das gesamte Fenster abdecken. Wenn Glas Deckglas auf den Schädel richtig angewendet wird, bleibt das Fenster unter dem Glas lichtdurchlässig. Die Blutgefäße in der Dura werden weiterhin sichtbar (Abb. 1e). Zahnärztliche Acryl muss rund um die Glas-Deckglas, permanent an der Oberfläche des Schädels haften angewendet werden. Die Kanten der Glas-Deckglas darf auch in zahnärztliche Acryl (Abb. 1f) abgedeckt werden.
Wir fanden, dass piezoelektrische Chirurgie ist in der Regel viel schneller als eine traditionelle kranialen Fenster unter ca. 10-12 Minuten pro Operation (Abbildung 2A). Wir fanden auch, dass es weniger Komplikationen aufgrund von Dura Blutergüsse und Blutungen von Auge (Abbildung 2 b) beobachtet. Einem entsprechend vorbereiteten Fenster ermöglicht multiphoton Bildgebung von fluoreszierenden Indikatoren in kortikalen Neuronen in Vivo. Wir entschieden uns für das rote Kalzium Kennzeichen JRGECO1a in Zellkörpern der kortikalen Neuronen Layer 4 Bild (Abbildung 3A-3 b). Wir konnten beobachten, Kalzium Transienten in diese Zelle Körper durch das Fenster PHASOR zubereitet.
Abbildung 1: piezoelektrischen Chirurgie. (ein) des Schädels, nachdem es richtig für PHASOR vorbereitet wurde. Die periostalen Gewebe wurde entfernt, so dass eine glatte und saubere Oberfläche. (b) ein repräsentatives Bild der PHASOR im Gange. Unten 1 mm von der vibrierenden chirurgische Tipp im Eis versinkt kalt ACFS. Die Flüssigkeit wird auf den Schädel mit einer Rate von 1 mL/min angewendet. Eine leichte Kreisbewegung gilt für den Schädel und Knochen wird per Ultraschall-Schwingungen ausgedünnt. (c) Nachdem der Schädel ausgedünnt worden, ein 1 mm rundes Stück von Kollagen Schaum trieft Kälte ACFS erlaubt ist, auf das Fenster, Mikro blutet aus dem Knochen zu stoppen. (d) eine erfolgreiche Fenster mit einer transluzenten Dura zeigt alle die intakte Blutgefäße. Es gibt keine sichtbaren Schäden oder Blutergüsse an der Oberfläche des Gehirns. (e) ein Glas-Deckglas befindet sich über dem Fenster zum Schutz der Oberfläche des Gehirns. (f) zahnärztliche Acryl wird der Schädel um die Glas-Deckglas über das Fenster dauerhaft zu beheben. Skala 1 mm in allen Bildern.
Abbildung 2: Vergleich der Erfolgsquote bei der Ausbildung für PHASOR oder zahnärztliche Bohren Chirurgie. (A) durchschnittliche Zeit pro Operation war für PHASOR Zahnbohrer Operationen niedriger (p < 0,05, zwei tailed t-Test) n = 30 Operationen pro Gruppe und durchschnittlich 10 Operationen pro Operateur. (B) der Prozentsatz der erfolgreichen Operationen (definiert als keine Blutungen oder sichtbare Schäden an der Dura, wie der Chirurg durch die Zielsetzung, 350 X Zoom Auge beobachtet) lag für PHASOR über Zahnbohrer Operationen (n = 30 Operationen für jede Gruppe eine lierten Z-Test). Fehlerbalken zeigen SD
Abbildung 3. Multiphoton Bildgebung in Vivo durch ein kranialen Fenster mit PHASOR verdünnt. (A) Kalzium, die Transienten beobachtet mit dem roten Kalzium Kennzeichen JRGECO1a in Schicht 4 pyramidale Neuronen in murinen motorischen Kortex in Vivoabgebildet waren. Maßstabsleiste = 100 µm. (B) das gleiche Fenster aber anderen Region der Schicht 4 motorische Kortex. Headfixed-Maus mit 3 mm Fenster mit PHASOR vorbereitet. Maßstabsleiste = 30 µm. abgebildeten mit einem multiphoton Mikroskop 40 X Objektiv, 1040 nm Anregung Wellenlänge.
Die Operation kann durch Ändern der chirurgischen Spitze geändert werden. Es gibt viele verschiedene Größen der Spitze, die das Handstück angewendet werden können. Ändern der Größe oder Form der Spitze wird in verschieden große Fenster führen. Neben den 4 mm-Tipp wir auch versucht eine 3 mm Spitze und fand es auch gut funktioniert. Auch bei Bewässerung mit Eis kalt ACFS konnten wir nicht bekommen gute Ergebnisse mit Tipps, die zu (ca. 0,25 mm) aufgrund der konzentrierten Vibrationen verursacht zu viel Hitze und Brennen des Knochens führt um zu Beschädigung der zugrunde liegenden Dura schmal waren. Wir haben nicht versucht, die Vielzahl der anderen Tipps, die verfügbar sind, und wir erwarten, dass andere Labore können neue Anwendungen für diese verschiedenen Tipps zu finden. Während die Operation relativ einfach ist, fanden wir, dass es gibt mehrere Schritte, die zur Fehlerbehebung benötigen. Die erste ist, dass die vibrierende Spitze viel Turbulenzen in der ACFS die Sichtbarkeit verringert und Schwierigkeiten produziert bei der Ermittlung von Knochen Tiefe während des Knochens dünner Schritt der Operation produziert. Wir empfehlen, wenn es zu schwierig, zu sehen, wie dünn der Knochen ist, machen eine Pause, die Schädel und Fenster trocknen durch die Anwendung einer sterilen Wattetupfer auf die Seite des Knochens. Die Wattestäbchen nicht direkt ans Fenster, anwendbar, da die rauhe Oberfläche dünne Knochen schadet. Nach der Überprüfung der tiefes erneut ACFS und fahren Sie mit der Operation. Wir fanden auch, dass wenn es beschädigt die Dura ist, ist es in der Regel aufgrund der Chirurg zu viel Druck auf die Spitze. Halten das Handstück schonender und weniger Kraftaufwand werden wahrscheinlich dieses Problem zu beheben. Wenn der Chirurg gewaltsam die Spitze auf den Knochen Schaben, wird dazu führen, dass eine Pause in den dünnen Knochen und beschädigen den Schädel. Schließlich erscheint nach Ausdünnung des Knochens, die zugrunde liegenden Dura verletzt, ist es wahrscheinlich durch überschüssige Wärme aus den Schwingungen. Erhöhung der ACFS fließen, um dieses Problem zu beheben.
Die wichtigste Einschränkung der PHASOR ist, dass das Handstück kann den Knochen dünn, aber nicht über die Dura alle Knochen entfernen. Die Diamant beschichteten Spitze hat kleine grobe Unebenheiten. Die Reibung benötigt, um den Schädel zu dünn würde die Dura abzuschleifen und Blutungen, wenn es verwendet wurden, um den Knochen zu entfernen. Somit ist der Einsatz von Zange erforderlich, um die verbleibenden dünnen Schicht zu entfernen. Während es fortwährende Debatte gibt auf ob Bildgebung durch eine dünne Schädel weniger Entzündungen und weniger Verbreitung von Mikroglia und reaktive Astrocyten produziert, in einigen Fällen ist ein Fenster mit keine Knochen verbleibenden bevorzugt, z. B. zu einer größeren Tiefe von imaging-3 .
Wir haben kranialen Fenster Vorbereitung multiphoton Bildgebung bei Mäusen optimiert. PHASOR ist unseres Wissens die erste Anwendung der Piezo-Technik, Nagetier kranialen Fenster Chirurgie für optische Bildgebung. Wir finden, dass die Nutzung der piezoelektrischen Chirurgie bei Mäusen die Vorteile der erhöhten Geschwindigkeit teilt und unerwünschte Ereignisse auch in Menschen7,8,9,10berichtet verringert. Auslastung der piezoelektrische Vorrichtung führte zu schnelleren Operationen (Abbildung 2A) und weniger Nebenwirkungen von Blutungen im Vergleich zu einem High-Speed Rotary bohren (Abb. 2 b). Wir fanden auch in unserem Labor, dass PHASOR einfacher für neue Chirurgen zu erlernen als traditionelle Ansätze zur kranialen Fenster Operation war. Vorteile von Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit werden voraussichtlich unter Chirurgen unterscheiden. Dünne Schädel Vorbereitungen erfordern in der Regel 30-45 min, dünne Knochen mit einem Bohrer und Skalpell2, während der PHASOR Ansatz in der Regel weniger als 10 Minuten erfordert.
Wir fanden, dass in Windows vorbereitet mit PHASOR Kalzium Transienten in Schicht 4 pyramidenförmigen Nervenzellen im motorischen Kortex vorstellen könnte, die mit Adeno-associated Virus Codierung des Kalzium-Indikators JRGECO1a transfiziert worden war (AAV9. Syn.NES-jRGECO1a.WPRE.SV40). wir fanden auch, dass im Vergleich zu einem dünnen Schädel kranialen Fenster vorbereitet mit einem rotierenden Bohrer und Skalpell, die bildgebende Region war größer, während eine dünne Schädel mit einem rotierenden Bohrer vorbereitet und Skalpell hat ein imaging-Fenster von 20 µm Durchmesser2 . Mit PHASOR konnten wir schnell eine Fläche von ca. 3-4 mm dünn. Dies ist vergleichbar mit der bildgebenden Fenster mit PoRTS4berichtet. Diese größere Fenster behält den Vorteil der schnellen Bildgebung für dünne Schädel Windows vorbereitet mit einem Zahnbohrer und Skalpell gemeldet. Darüber hinaus kann das Fenster mit PHASOR zubereitet sofort abgebildet, im Gegensatz zu traditionellen Knochenentfernung abgebildet Windows, die Wochen zu heilen, bevor das Fenster optimal sein kann verlangen3.
Diese Technik kann angewendet werden, um Veränderungen des Blutflusses in den Gefäßen unter der Dura zu studieren. Eine wichtige zukünftige Studie soll Immunoreactivity PHASOR mit anderen Methoden der kranialen Fenster zu vergleichen. Dies wäre wichtig, um festzustellen, ob PHASOR weniger Entzündung im Vergleich zu bisherigen Methoden produziert. Wir hoffen, dass die piezoelektrische Operationstechnik, die hier dokumentiert wird mehr Labs kranialen Fenster und Multiphoton in Vivoimaging erfolgreich zu nutzen.
Stellen Sie sicher, dass das Handstück auf die niedrigste Einstellung vibrieren soll und dass der ACFS ist mit einer konstanten Rate bewässert wird. Die eiskalte ACFS ständig angewendet werden muss oder es wird erhitzen und beschädigen die Dura. Wir fanden, dass ACFS muss, mit einer Rate von mindestens 1 mL/min, verwenden Sie entweder eine Spritze in der Hand gehalten angewendet werden, oder verwenden Sie eine peristaltische Pumpe, anstatt die integrierte Bewässerung im Handstück. Das Bewässerungssystem im Handstück wirft ACFS zu kräftig und produziert zu viel Turbulenzen, die Sicht erheblich beeinträchtigen wird.
Gibt es keine Angaben.
Tamara Zeric für die Hilfe, das multiphoton Bild in diesem Papier zu erhalten. Durch das Gehirn & Verhalten, Parkinson und JPB Stiftungen, R01 MH108186 und R01 DA07418 unterstützt. F31-Stipendium 1F31MH109293-01A1 S c.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Piezosurgery Touch | Mectron | 5120062 | Piezosurgery GP model has the same settings |
Circular 4mm flat piezosurgery tip (# OT11) | Mectron | 3370019 | This tip was ideal for our windows but there are many other tips of different sizes availible. |
Stereotax frame | Kopf | 963 | |
Mouse adaptor | Stoelting | 51625 | |
Peristaltic pump for irrigation. | Cole-Parmer | WU-77120-42 | Makes it easier to irrigate and frees up the other hand to provide stability. Irrigation can be performed by hand with a syringe if necessary. |
Avitene Ultrafoam | Bard-Davol | 1050020 | Important to stop any minor bleeding instantly. |
C&B Metabond | Parkell | S380 | Much stronger than regular dental acrylic. |
Artificial cerebro spinal fluid (ACSF) | Tocris | 3525 | |
Puralube opthalmic ointment | Dechra | 17033-211-38 | |
Mice | JAX | 664 | |
Prairie Ultima multiphoton microscope | Bruker | ||
JRGECO1a (AAV9.Syn.NES-jRGECO1a.WPRE.SV40) | UPENN Vector Core |
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