Preparação de Eletrodos de Estimulação Nervosa Periférica para Implantação Crônica em Ratos

Resumo

Abordagens existentes para a construção de eletrodos de manguito nervoso periférico cronicamente implantáveis para uso em pequenos roedores muitas vezes requerem equipamentos especializados e/ou pessoal altamente treinado. Neste protocolo, demonstramos uma abordagem simples e de baixo custo para a fabricação de eletrodos de manguitos cronicamente implantáveis, e demonstramos sua eficácia para a estimulação do nervo vago (VNS) em ratos.

Resumo

Eletrodos de manguito nervoso periférico têm sido usados há muito tempo nas neurociências e campos relacionados para estimulação de, por exemplo, vagus ou nervos ciáticos. Vários estudos recentes demonstraram a eficácia do VNS crônico no aumento da plasticidade do sistema nervoso central para melhorar a reabilitação motora, a aprendizagem da extinção e a discriminação sensorial. A construção de dispositivos cronicamente implantáveis para uso em tais estudos é desafiadora devido ao pequeno tamanho dos ratos, e protocolos típicos exigem treinamento extensivo de pessoal e métodos de microfabricação demorados. Alternativamente, eletrodos de punho implantáveis disponíveis comercialmente podem ser comprados a um custo significativamente maior. Neste protocolo, apresentamos um método simples e de baixo custo para a construção de eletrodos de punho nervoso periférico pequenos e cronicamente implantáveis para uso em ratos. Validamos a confiabilidade a curto e longo prazo de nossos eletrodos de punho, demonstrando que vns em ratos anestesizados cetamina/xilazina produz reduções na taxa de respiração consistente com a ativação do reflexo Hering-Breuer, tanto no momento da implantação quanto até 10 semanas após a implantação do dispositivo. Demonstramos ainda a adequação dos eletrodos de punho para uso em estudos de estimulação crônica, emparelhando VNS com desempenho de prensa de alavanca qualificada para induzir plasticidade do mapa cortical motor.

Introdução

Recentemente, cresceu a demanda por eletrodos de manguitos cronicamente implantáveis para estimulação de nervos periféricos, pois estudos demonstram cada vez mais a utilidade pré-clínica dessa técnica para o tratamento de inúmeras doenças inflamatórias^1,,2,3 e distúrbios neurológicos^{4,,5,,6,,7,8,,9,,10,,11,,12,,13,,14,,15}. O VNS crônico, por exemplo, tem se mostrado para melhorar a plasticidade neocortical em uma variedade de contextos de aprendizagem, melhorando a reabilitação motora^4,5,,6,,7,8, aprendizagem de extinção^{10,,11,,12,,13,,14}, e discriminação sensorial¹⁵. Eletrodos de manguito nervoso periférico comercialmente disponíveis são frequentemente associados a tempos prolongados para cumprimento do pedido e custos relativamente altos, o que pode limitar sua acessibilidade. Alternativamente, os protocolos para fabricação "interna" de eletrodos de manguitos cronicamente implantáveis permanecem limitados, e a anatomia dos roedores apresenta desafios particulares devido ao seu pequeno tamanho. Os protocolos atuais para a construção de eletrodos de punho para experimentos crônicos de roedores muitas vezes requerem o uso de equipamentos e técnicas complexas, bem como pessoal extensivamente treinado. Neste protocolo, demonstramos uma abordagem simplificada para a fabricação de eletrodos de manguito com base nos métodos publicados e amplamente utilizados^16,17. Validamos a funcionalidade de nossos eletrodos cronicamente implantados em ratos, demonstrando que, no momento da implantação da braçadeira ao redor do nervo vago cervical esquerdo, a estimulação aplicada aos eletrodos do punho produziu com sucesso uma cessação da respiração e queda em SpO2. A estimulação de fibras vagal do receptor pulmonar aferentes é conhecida por engajar o reflexo hering-breuer, no qual a inibição de vários núcleos respiratórios no tronco cerebral resulta na inspiração de supressão¹⁸. Assim, a cessação da respiração consistente com o reflexo hering-breuer, e a queda resultante em SpO2, fornecem um teste simples para implantação adequada de eletrodos e função de manguito em ratos anestesiados. Para validar a funcionalidade de longo prazo dos eletrodos de manguitos cronicamente implantados, as respostas reflexas foram medidas no momento da implantação e comparadas às respostas obtidas nos mesmos animais seis semanas após a implantação. Um segundo grupo de ratos foi implantado com eletrodos de manguito VNS após treinamento comportamental em uma tarefa de prensagem de alavanca. Nestes ratos, o VNS emparelhado com o desempenho correto da tarefa produziu reorganização do mapa motor cortical, consistente com estudos publicados anteriormente^{19,,20,,21,22}. No momento do mapeamento cortical motor sob anestesia, que ocorreu de 5 a 10 semanas após a implantação do dispositivo, validamos ainda mais a função de manguito em animais tratados com VNS, confirmando que o VNS induziu com sucesso uma cessação da respiração e uma queda superior a 5% no SpO₂.

Os protocolos recém-publicados de Childs et al.¹⁷ e Rios et al.¹⁶ fornecem um ponto de partida bem validado para uma abordagem simplificada de fabricação de eletrodos de manguito, uma vez que este método popular tem sido utilizado por vários laboratórios que realizam estudos crônicos de VNS em roedores^{1,,2,3,,4,,5,6,,7,,8,,9,,10,,11}. O método original envolve várias etapas de alta precisão para manipular os microfios finos, de modo que a fabricação de eletrodos de punho leva mais de uma hora para ser concluída, e treinamento extensivo para executar de forma confiável. A abordagem simplificada descrita aqui requer significativamente menos materiais e ferramentas e pode ser concluída em menos de uma hora por pessoal minimamente treinado.

Protocolo

Todos os procedimentos descritos neste protocolo são realizados de acordo com o Guia nih para o cuidado e uso de animais de laboratório e foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade do Texas em Dallas.

1. Estimulando a fabricação de eletrodos de manguito

1. Prepare a tubulação de algemas.
   1. Usando uma lâmina de barbear, corte um pedaço de tubo de polímero de 2,5 mm de comprimento. Insira pontas de fórceps ou um clipe de papel através da tubulação e use a lâmina para fazer uma fenda longitudinalmente através da parede do tubo de um lado da braçadeira.
   2. Remova as fórceps da tubulação e insira uma agulha de costura grande através da linha média do manguito, perpendicular ao eixo longo. Insira a agulha através da fenda (superior) e no centro da tubulação em frente (inferior). Coloque a agulha na placa de espuma para fixar a braçadeira no lugar durante as etapas restantes de montagem.
2. Coloque a sutura para fixar o fecho da braçadeira durante a implantação.
   1. Insira a pequena agulha de costura através da parede da braçadeira, na linha média, aproximadamente 0,5 mm da fenda superior de um lado. Insira a agulha de interior para exterior para evitar danificar a tubulação de punho. Insira uma sutura de 2 cm de 6/0 através do olho da agulha e puxe a agulha através da parede da tubulação para enfiar a sutura na braçadeira.
   2. Deixando a linha no lugar, retire a agulha e perfure um segundo orifício através da parede de tubulação aproximadamente 0,5 mm abaixo do primeiro orifício, ao longo da linha média da braçadeira. Insira a sutura através do olho da agulha e puxe a agulha através da parede de tubos para novamente enfiar a sutura através da braçadeira.
   3. Ambas as extremidades do fio de sutura devem agora estar no lado externo da braçadeira. Ajuste a sutura para que ~1,5 cm se estenda do orifício superior, e ~0,5 mm se estenda do orifício inferior.
   4. Aplique uma pequena quantidade de adesivo de cura UV na extremidade curta da sutura que se estende do orifício inferior e puxe a extremidade mais longa da sutura até que a cauda inferior esteja quase alinhada com a parede externa do tubo. Use a varinha UV para curar o adesivo e mantenha a sutura firmemente no lugar.
   5. Repita as etapas 1.2.1 a 1.2.3 no lado oposto da braçadeira.
3. Coloque os fios platinum:Iridium (Pt:Ir).
   1. Use a pequena agulha de costura para fazer 4 furos na parede do punho. Cada par de orifícios deve ser colocado aproximadamente 0,5-0,8 mm da linha média perpendicular, com um orifício de aproximadamente 0,5-0,8 mm da fenda superior em ambos os lados da braçadeira.
      ATENÇÃO: Para a colocação mais consistente e precisa dos cabos, insira a agulha de interior para exterior para fazer todos os orifícios, usando a colocação da sutura como guia.
   2. Insira novamente a agulha de costura, desta vez trabalhando de exterior para interior, através do orifício de chumbo 1. Insira aproximadamente 0,5 cm de um fio de 7,5 cm de fio pt:Ir através do olho da agulha e puxe a agulha através da tubulação para enfiar o fio de chumbo através da parede da braçadeira. Ajuste o fio para que ~4,5 cm se estenda no lado externo da braçadeira(Figura 1A).
   3. Insira a agulha através do orifício de chumbo 1 novamente, novamente trabalhando exterior-para-interior, e além disso insira a agulha através do orifício de chumbo 2 diretamente em frente ao orifício de chumbo 1. Insira ~0,5 cm da extremidade (interior) mais curta do fio Pt:Ir através do olho da agulha e puxe a agulha através da tubulação para enfiar o fio de chumbo através das paredes do punho.
      NOTA: Ambas as extremidades do fio Pt:Ir devem agora estar no lado externo da braçadeira, e uma alça de arame é formada ao redor da borda da fenda e através do orifício de chumbo 1 (Figura 1B).
   4. Repita as etapas 1.3.1 até 1.3.3 para colocar o fio Pt:Ir através dos orifícios de chumbo 3 e 4.
   5. Usando um isqueiro butano, remova cuidadosamente o isolamento de um comprimento de 5-6 mm no final dos fios Pt:Ir que se estendem do orifício de chumbo 2 e do orifício de chumbo 4.
      ATENÇÃO: Isole as extremidades das pontas do resto do conjunto da braçadeira cuidadosamente para evitar danos à braçadeira. Use ferramentas para segurar os fios para evitar ferimentos.
   6. Alinhe o fio nu dentro da braçadeira para colocar os cabos em seus locais finais. Para isso, puxe suavemente a extremidade do fio Pt:Ir estendendo-se do orifício 1 até que a porção não utilizada do fio esteja alinhada com o orifício 1. Repita com a outra ponta para alinhar a extremidade não ensulada do fio roscada através dos orifícios de chumbo 3 e 4.
   7. Aplique uma pequena quantidade de adesivo de cura UV nos laços de arame no lado externo da braçadeira nos orifícios de chumbo 1 e 3. Use a varinha UV para curar o adesivo e fixar os cabos no lugar.
   8. Use uma pequena ponta de pipeta para empurrar os fios não-ensuladas pt:ir contra a parede interna da braçadeira. Uma vez que os cabos estejam no lugar, corte as extremidades dos fios que se estendem dos orifícios de chumbo 2 e 4 para que aproximadamente 1 mm de fio se estenda além do exterior da parede da braçadeira.
   9. Dobre as caudas de 1 mm do fio planas contra a superfície externa da braçadeira, tomando cuidado para não baixá-las juntas. Aplique uma pequena quantidade de adesivo de cura UV para cobrir apenas as duas caudas e curar o adesivo para garantir a colocação do chumbo e fornecer isolamento elétrico.
      ATENÇÃO: É importante cobrir totalmente as superfícies de Pt:Ir externamente expostas com adesivo para isolar os fios e evitar a estimulação fora do alvo.
4. Fixar os cabos de fio Pt:Ir no lugar com segurança de sutura.
   1. Retire a agulha grande com o conjunto de punhos da placa de espuma. Insira uma sutura de 3 cm de 6/0 através do olho da agulha e puxe a agulha através da tubulação para enfiar a sutura através da parte inferior da braçadeira no ponto médio.
   2. Mude para a pequena agulha de costura para completar a rosca de sutura para a fixação de chumbo Pt:Ir. Insira a agulha através do mesmo orifício intermediário, trabalhando novamente de interior para exterior para evitar a deformação da tubulação e dos fios. Insira a cauda externa da sutura através do olho da agulha e puxe a agulha através da parede da braçadeira para criar um laço de sutura ao redor da borda da braçadeira(Figura 1C).
      NOTA: Use fórceps e trabalhe sob o microscópio para garantir que a sutura seja orientada ao longo do longo eixo da braçadeira e deita-se plana contra a tubulação. Esta etapa garante que os cabos permaneçam separados no lado interno da braçadeira e sejam mantidos no lugar lateral para a linha do manguito.
   3. Crie um segundo laço em torno da extremidade oposta da braçadeira amarrando as extremidades da sutura em meio nó, no lado externo da braçadeira. Certifique-se de que a sutura corre ao longo do longo eixo da braçadeira e fica plana contra a tubulação. Enquanto segura o nó apertado para que ele fique liso contra a tubulação, aplique uma pequena quantidade de adesivo de cura UV ao meio nó e cure para manter no lugar.
   4. Corte cuidadosamente as extremidades da rosca de sutura o mais perto possível do nó. Se necessário, use uma pequena quantidade de adesivo adicional de cura UV para colar as extremidades curtas da sutura para que elas se coloquem planas contra a tubulação(Figura 1D).
5. Pinos do conector da solda para os cabos do fio Pt:Ir.
   1. Usando um isqueiro butano, remova o isolamento de ~3 mm na extremidade de cada um dos fios Pt:Ir. Solde o lado da xícara de um pino de ouro (ver Tabela de Materiais) até a extremidade não anulada de cada chumbo.
6. Teste a impedância do dispositivo montado.
   1. Conecte os pinos de ouro às entradas de um medidor LCR ou módulo de verificação de impedância de eletrodos e defina a frequência de teste para 1 kHz. Submergir a tubulação de punho (e a estimulação pt:Ir entra em contato com o interior da braçadeira) em um pequeno béquer cheio de soro fisiológico, tomando o cuidado de manter os pinos de chumbo de ouro e os conectores da sonda secos. Verifique se a braçadeira montada tem uma impedância de 1 kHz de menos de 2 kΩ antes de prosseguir com a implantação.
      NOTA: A alta impedância muitas vezes indica área de superfície inadequada pt:ir exposta, que pode surgir devido a fatores como remoção insuficiente do isolamento, aplicação acidental de adesivo no interior do manguito, fios de arame quebrados, etc. As algemas também devem ser inspecionadas para fios de arame quebrados ou mal colocados que possam resultar em contatos curtos com o uso a longo prazo.

2. Construção de tampa de cabeça

NOTA: Os procedimentos de montagem da headcap são semelhantes aos publicados anteriormente (Childs et al.¹⁷), e são resumidos aqui por conveniência.

1. Monte a tampa da cabeça¹⁷
   1. Corte dois pequenos pedaços de envoltório de fio AWG de 30, um ~13 mm de comprimento e um ~10 mm de comprimento. Retire os ~1,5 mm de isolamento de cada extremidade de ambos os fios. Solde o lado do pino de um pino de ouro para uma extremidade de cada fio, o mais perto possível do copo. Use cortadores de arame para cortar o excesso de comprimento do pino além da junta da solda.
   2. Solde as outras extremidades dos fios AWG para os dois copos de solda central de um conector de microstrip de 4 pinos.
   3. Dobre as tampas da cabeça do fio até o conector e coloque os pinos de ouro planos contra o conector, paralelos uns aos outros, como mostrado na Figura 2A. O pino conectado ao fio mais curto deve ser colocado abaixo do pino conectado ao fio mais longo. Use acrílico de unha, cimento dental ou adesivo de cura UV para fixar os fios da tampa da cabeça no lugar.

3. Uso de dispositivos

1. Implante os eletrodos de punho para estimulação crônica do nervo vago.
   NOTA: Todos os procedimentos cirúrgicos devem ser realizados utilizando técnica estéril ou asséptica sob anestesia adequada, de acordo com as Diretrizes do NIH para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório e com aprovação local da IACUC. Os seguintes procedimentos destinam-se a ilustrar um uso representativo do dispositivo e não se destinam a ser abrangentes.
   1. Coloque o rato em uma estrutura estereotaxa e faça uma incisão sagital sobre os ossos parietal e occipital para revelar a superfície do crânio para implantação da cabeceira/conector. Faça cuidadosamente 4 furos no crânio e coloque os parafusos do joalheiro. Use acrílico dentário para fixar a tampa da cabeça no crânio e parafusos.
   2. Remova o rato da estrutura estereotaxica e coloque no lado direito. Faça uma incisão vertical na pele no lado esquerdo do pescoço, e disseca cuidadosamente o nervo vago esquerdo da artéria carótida, localizada entre os músculos esternostoide e esternoide e sob o músculo omohiide.
   3. Túnel a braçadeira leva subcutânea em direção ao crânio. Conecte os cabos à tampa da cabeça usando os pinos de ouro.
   4. Coloque o nervo vago dentro da braçadeira e fixe o dispositivo fechado amarrando um nó duplo nas suturas de punho. Tenha cuidado para evitar danificar o nervo durante a implantação, manipulando o nervo com ganchos sem corte, não condutores ou agarrando tecido conjuntivo ao redor do nervo.
   5. Teste o implante aplicando estimulação ao dispositivo (trem de 10 s de 0,8 mA, 30 Hz, 100 μs pulsos bifásicos). A implantação adequada resultará em cessação da respiração e queda na SpO₂ de 5% ou mais.
   6. Cubra os pinos dourados e os fios expostos com acrílico dental, feche feridas com suturas e limpe os locais de incisão com solução salina, álcool e iodo povidone.
   7. Fornecer fluidos de substituição, analgésicos e cuidados pós-operatórios de acordo com as diretrizes do NIH e a aprovação da IACUC.
2. Estimule o nervo vago durante o comportamento acordado.
   NOTA: A entrega de VNS à medida que os animais realizam tarefas motoras específicas foi previamente demonstrada para expandir a representação do mapa motor da musculatura relevante para tarefas. Usamos esse paradigma validado para fornecer um exemplo representativo de uso de dispositivos, mas muitos outros paradigmas comportamentais e/ou parâmetros de estimulação podem ser relevantes para aplicações alternativas. Os ratos foram treinados para proficiência na tarefa de prensa da alavanca usada aqui antes da implantação do dispositivo. Após a cirurgia, o bom desempenho foi novamente verificado antes da entrega do VNS: os ratos realizaram pelo menos 100 ensaios bem sucedidos em duas sessões de treinamento de 30 minutos por dia. O VNS foi emparelhado com prensas de alavanca corretas durante 10 sessões de treinamento subsequentes ao longo de 5 dias.
   1. Conecte o rato a um gerador de estímulo através da tampa da cabeça implantada e ajuste-se às configurações de estimulação apropriadas. Para reorganização induzida por VNS do mapa cortical do motor, pare cada prensa de alavanca correta com um único trem de 15 pulsos bifásicos, cada um com uma largura de 100 μs e amplitude de 800 μA, entregue em uma frequência de 30 Hz.
   2. Um trem de estimulação é entregue imediatamente após a detecção de cada pressão de alavanca bem sucedida ao longo de dez sessões de treinamento de 30 minutos. Durante a entrega de VNS, use um osciloscópio para monitorar a entrega bem-sucedida da estimulação atual.
3. Validar a função do punho cronicamente implantada.
   1. Dentro de 24 horas da última sessão de treinamento emparelhada com VNS, use microestimulação intracraniana (ICMS) para quantificar o mapa somatotópico funcional no córtex motor^{19,,20,,21,,22}.
   2. Após a indução da anestesia para mapeamento do ICMS do córtex motor, valide novamente a função de manguito aplicando um trem de 10 s de 30 Hz, estimulação de corrente de 0,8 mA (pulsos bifásicos de 100 μs), o que deve resultar em uma cessação da respiração e redução nos níveis de SpO₂ de pelo menos 5%, consistente com o reflexo de Hering-Breuer.
      NOTA: Dependendo da aplicação, a função do manguito pode ser considerada aceitável se uma queda confiável de SpO₂ de menos de 5% for observada, ou se maiores amplitudes de corrente (até 1,6 mA) produzirem de forma confiável pelo menos uma redução de 5% no SpO₂. A não observação de uma cessação da respiração e/ou uma diminuição confiável na SpO₂ é indicativo de falha do implante.

Resultados

Eletrodos de punho e tampas de cabeça foram cronicamente implantados em ratos de acordo com procedimentos cirúrgicos publicados anteriormente^{17,19,20,21,22}. Antes da implantação, a impedância de 1 kHz foi medida através dos condutores de punho com o tubo de punho submerso em soro fisiológico (impedância = 1,2 ± 0,17 kΩ [média ± dst]; N = 9). Apenas...

Discussão

Aqui descrevemos uma abordagem simples e de baixo custo para a montagem de eletrodos de punho estimulantes cronicamente implantáveis para uso em roedores, facilitando investigações pré-clínicas desta terapia emergente. Este método simplificado não requer treinamento ou equipamento especializado, e utiliza um pequeno número de ferramentas e suprimentos que são facilmente acessíveis à maioria dos laboratórios de pesquisa, reduzindo tanto os custos monetários quanto trabalhistas da fabricação de dispositivos ...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Biocompatible polyurethane-based polymer tubing, 0.080" OD x 0.040" ID	Braintree Scientific	MRE080 36 FT
Dissecting microscope	AM Scopes	#SM-6T-FRL
Fine Serrated Scissors, straight, 22mm cutting edge	Fine Science Tools	#14058-09	for cutting Pt/Ir wire and suture thread
Forceps, #5 Dumont forceps, straight, 11 cm, 0.1 x 0.06 mm tip	Fine Science Tools	#11626-11
Forceps, ceramic tipped forceps, 0.3 mm x 30 mm tips	Electron Microscopy Sciences	#78127-71
Gold Pins, PCB Press Fit Socket	Mill-Max	#1001-0-15-15-30-27-04-0	or similar small pins for connecting cuff leads to headcap
Isobutane lighter	BIC	#LCP21-AST	for de-insulating Pt/Ir wire
Micro strip connector with latch, 4-pin	Omnetics	A24002-004 / PS1-04-SS-LT
Pipette tip, 10 uL	VWR	89079-464
Platinum-Iridium (90/10%) Wire, 0.001" (diameter) x 9 strands, PTFE insulated	Sigmund Cohn	10IR9/49T
Razor Blade, Single Edge, Surgical Carbon Steel No.9	VWR	#55411-050	for cutting MicroRenathane tubing
Sewing needle, ca. 4.0 cm length x 0.7 mm diameter (size 6-7)	Singer	00276	Smaller needle for threading Pt/Ir wire
Sewing needle, ca. 4.5 cm length x 0.8 mm diameter (size 2-3)	Singer	00276	Larger needle for pinning cuff during assembly and for threading suture
Small foam board	Juvo+/Amazon	B07C9637SJ	for fabrication platform; our dimensions are ca. 2.5" x 3.5" x 1" (L x W x H)
Solder, multicore lead-free, 0.38mm diameter	Loctite/Multicore	#796037
Soldering station	Weller	WES51	or similar soldering iron compatible with long conical tips (this part has been discontinued)
Soldering tip, long conical, 0.01" / 0.4 mm	Weller	1UNF8
Suture, nonabsorbable braided silk ,size 6/0	Fine Science tools	#18020-60
UV (405 nm) spot light	Henkel/Loctite	#2182207
UV Light Cure Adhesive 25 ml	Henkel/Loctite	AA 3106	or similar biocompatible UV cure adhesive
Wire wrapping wire, 30 AWG	Digikey	K396-ND