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癫痫猝死机制 (SUDEP) 知之甚少,难以从当前模型转化。转基因兔子可能为这些机制提供见解。我们描述了一种在转基因兔试剂盒中长期、连续地进行脑电图和心电图记录的方法,以评估可能导致死亡的严重事件。
离子通道基因的致病性变异与癫痫猝死率高 (SUDEP) 相关。SUDEP 的机制知之甚少,但除癫痫发作外,还可能涉及自主神经功能障碍和心律失常。一些离子通道基因在大脑和心脏中都表达,这可能会增加与癫痫和心律失常相关的离子通道病患者患 SUDEP 的风险。表达癫痫变异的转基因兔为研究 SUDEP 的复杂生理学提供了一个完整的生物体。重要的是,兔子比小鼠模型更紧密地复制人类心脏生理学。然而,兔子模型在接受侵入性监测程序时还需要考虑额外的健康和麻醉因素。我们开发了一种新方法,通过手术植入遥测设备,用于在新生兔试剂盒中长期同步监测脑电图 (EEG) 和心电图 (ECG)。在这里,我们展示了在 P14 (体重范围 175-250 g) 套件中植入遥测设备的手术方法,并详细关注手术入路、适当的麻醉和监测以及术后护理,从而降低并发症发生率。该方法允许在遗传性或获得性癫痫的兔模型中发生心律失常、癫痫发作和潜在 SUDEP 的关键点连续监测神经和心脏电生理学。
癫痫猝死 (SUDEP) 是癫痫患者死亡的主要原因。SUDEP 的机制知之甚少,但除了癫痫发作外,还可能涉及自主神经功能障碍、呼吸暂停和心律失常 1,2,3,4,5,6,7。离子通道病相关遗传性癫痫患者的 SUDEP 发生率最高。例如,高达 20% 的电压门控钠通道基因 SCN1A8 变异患者患有 SUDEP,该基因导致 Dravet 综合征,这是一种在出生后第一年发病的遗传性癫痫。许多与癫痫相关的离子通道基因在大脑和心脏中都有表达,实验室和临床数据表明,离子通道病相关的遗传性癫痫患者可能存在心律失常7、9、10、11、12,由于癫痫发作诱导的致命性心律失常或同时发生癫痫发作和心律失常,可能会增加他们患 SUDEP 的风险。在实验室环境中评估 SUDEP 带来了许多挑战。从心脏的角度来看,小鼠的心脏动作电位与人类13 有很大不同,人类 iPSC-心肌细胞模型14 无法复制整个生物体的复杂性。遗传性癫痫的转基因兔模型为研究 SUDEP 提供了一个理想的系统,因为兔心脏生理学更接近于人类的心脏生理学13,15,同时为研究复杂的病理生理学提供了一个完整的生物体。由于 SUDEP 可能早在第一次癫痫发作时发生,因此从早期时间点评估这些动物模型对于了解癫痫发作和心律失常的发作至关重要。新生儿期的视频录制具有挑战性,因为兔子幼崽通常仍在巢中。当套件与护套一起使用时,无法使用传统的有线系统进行连续脑电图 (EEG) 或心电图 (ECG) 记录。间歇性记录不太可能捕获与 SUDEP 相关的罕见终端事件。因此,我们转向无线植入式遥测监测,在兔子套件中提供长期、连续、同步的脑电图和心电图记录。
该方案成功的关键是为这些脆弱的动物提供适当的麻醉和术后支持。由于独特的解剖学和生理学特征,与狗和猫 (1.39%-4.8%) (0.17%-0.24%) 相比,兔子的麻醉死亡风险要高得多 (0.17%-0.24%)16,17。这种麻醉风险增加的主要因素包括次优的气道管理和急性术后并发症。多种因素导致兔插管困难,包括长而窄的嘴和宽舌、嘴和喉之间的锐角、会厌背侧移位、对喉外伤的易感性增加以及喉痉挛倾向增加 18,19,20。立即麻醉发作后,兔子有患上危及生命的胃肠道淤滞综合征的风险。这是一个复杂的、多因素的问题,据推测,麻醉是通过直接药物作用抑制胃蠕动和/或手术后因任何原因(未缓解的疼痛、恶心等)引起的继发性厌食。21.
兔新生儿和婴儿独特的生理机能加剧了与麻醉和手术相关的挑战。兔子出生时年龄小,生理稳态机制和特殊解剖学考虑不发达。静脉通路和监测很困难,因为大多数商业产品并未针对荷兰带兔和新西兰白十字兔套件的小血管尺寸、高静息心率和色素沉着的皮肤进行优化。由于新生儿的心输出量基本上依赖于心率22 ,并且通常与成人23 相比,肾脏或肝脏途径的药物清除率降低,因此考虑适当的药物选择和剂量至关重要。兔子麻醉死亡的主要原因被认为是继发于呼吸抑制和呼吸暂停。除了已经讨论过所有兔子的气道管理问题外,新生儿在面对低氧血症和高碳酸血症时呼吸驱动低下,这使得麻醉的这一本已具有挑战性的方面更加危险24。
在该协议中,我们描述了一种在新生儿兔癫痫模型中进行脑电图和心电图遥测植入物(图 1)的成功方法,该方法具有很高的手术和麻醉存活率。这些信息将使其他研究人员能够处理具有挑战性的新生兔模型,以推进对癫痫、心律失常和相关神经发育障碍的研究。
所描述的所有工作均由密歇根大学机构动物护理和使用委员会审查和批准,作为批准的动物使用协议的一部分,并符合相关的联邦法律和指导方针,包括美国农业部动物福利法和 NIH 公共卫生服务政策。密歇根大学是 AAALACi 认可的机构。
1. 动物准备
2. 手术准备(图 2)
3. 将植入物放置在腹部
4. 放置心电图导联
5. 背表面的准备
6. 脑电图导联的放置
7. 麻醉恢复
8. 术后护理和监测
该项目的成功结果需要在植入程序和记录协议中开发多个参数。尝试或对 16 个兔子套件进行植入手术,其中 14 个成功存活。其中,12 例存活到实验终点。 表 1 强调了术中或术后死亡的原因,以及允许未来成功达到实验终点的程序修改。最常见的手术并发症是呼吸抑制,导致缺氧和心动过缓。该方案被修改为包括多种监测方式,包括 2 个脉搏血氧仪和一个多普勒监测器。这允许在手术过程中一台显示器出现故障或松动时进行备份监控。此外,兔子的皮肤色素会使脉搏血氧饱和度测定的可靠性降低,因此需要从身体的多个点进行监测。虽然诱导和恢复通常被认为是最危险的麻醉期,但我们观察到呼吸抑制导致整个手术过程中的其他时间点心动过缓,这强调了时刻警惕生命体征监测的必要性。作为对这种并发症的干预,在前两个动物手术队列 (动物 1-4) 观察到麻醉并发症后,将额外的监测和多沙普仑添加到方案中。动物 12 和 13 在同一队列中,由于呼吸驱动不良而给予多沙普兰 (2-5 mg/kg,静脉或舌下含服)。两人均在术中成功从呼吸抑制和呼吸暂停中复苏。
一旦套件放回其家笼,就可以立即进行遥测记录,并且通常显示相对低振幅的 EEG 信号,直到套件从麻醉中完全恢复(图4)。在记录的最初几天,心电图信号形态可能会略有变化,形成疤痕,并且心电图线位置得到进一步保护(图 4B)。EEG 和 ECG 信号质量随着时间的推移是稳健的,而不会降低信号,因为足够的过度导线在皮下盘绕以允许生长。遥测记录可以根据研究的个体需求进行定制,因为除了 EEG 和 ECG 之外,植入物还可以监测各种生物电势,包括温度、加速度和信号质量(图 5)。使用 Emka ECGAuto 软件离线进行数据分析。在 500 Hz 下收集 EEG 和 ECG 数据时,植入电池可持续使用大约 55 天。可以通过更改数据收集参数或间歇性采样来扩展此时间范围。可以执行软件编程以协助在 ECGAuto 中检测癫痫发作(图 5)。在手术后的前 7 天监测植入的兔子的皮肤红斑、体重和体温,因为这是感染的最高风险期。术后,兔子试剂盒在手术后 1-3 天开始显示体重增加,表明手术造成的痛苦最小。兽医工作人员在术后第一周进行 2-3 次彻底检查,如果在恢复过程中出现问题,将更定期地进行检查。根据我们的经验,一旦幼崽被送回巢穴,母鹿就不会明显干扰缝合部位,因此伤口愈合非常好。几个试剂盒在颅骨切口处产生了良性血清肿(表 1),为此它们额外接受了 3 天的卡洛芬治疗,导致血清肿消退,没有进一步的并发症。长期以来,实验室人员或饲养人员每天都会观察兔子是否有痛苦的迹象。如果出现任何问题,兽医工作人员随时准备检查和治疗兔子。每天检查遥测仪信号质量以检查设备或导线故障,直到电池电量耗尽。
图 1:腹侧和背侧植入物和电极放置示意图。 (A) 腹侧和 (B) 背侧植入物。缝合部位用黑色 X 表示,而蓝色 X 表示腹部植入物的内部粘性缝合线。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 2:手术定位的照片。 (A) 动物部分旋转以允许腹部植入、胸腔心电图导联放置和在同一手术位置将导线部分隧道连接到背侧。鼻子舒适地放置在定制的 3D 打印面罩 (a) 中,并松散地贴在前肢上。SpO2 监测可能是间歇性的,因此使用多个探头(右前臂 (b) 和右后肢 (g))。将静脉导管固定在右耳 (c) 中。显示的其他麻醉监测包括生物反馈红外温度监测 (d) 和利用右股动脉 (e) 的多普勒监测。通过观察动物或再呼吸袋来目视监测呼吸。(B) 植入植入物和 ECG 导联后,打破无菌区域,将兔子旋转到俯卧位。金属丝在铝箔袋 (a*) 内保持无菌状态,因为背面已准备好放置 EEG 导联。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 3:外科手术中的关键步骤。 (A) 在皮肤切口之前将三根缝合线固定在植入物上。(B) 保留一条长尾巴,以便将植入物固定到腹膜腔的腹壁上。(C) 拧入颅骨时,用细镊子固定颅骨螺钉。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 4:代表性的早期 EEG 和 ECG 记录。 (A) 在术后第 0 天 (POD) 时,基线 EEG 振幅较低,但在转基因兔中可以看到发作间期癫痫样放电(红色箭头)。(B) 到 POD 7 时,脑电图振幅增加。癫痫样分泌物仍然明显。ECG 信号保真度在两个时间点都非常出色。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 5:P66 转基因兔试剂盒中强直阵挛发作期间的代表性原始示踪 。预处理的遥测数据包括 (A) EEG、(B) 温度、(C) 加速度、(D) ECG 和 (E) 用于离线分析的信号质量测量。术后第 52 天所有生物电的信号质量仍然非常好。癫痫发作由红色箭头表示。在癫痫发作时进行基线调整的处理脑电图数据 (a) 显示癫痫发作强直期的信号衰减。即使在癫痫发作的强直期有过多的肌肉伪影,具有处理基线 (b) 的心电图数据也是可见的。 请单击此处查看此图的较大版本。
表 1:手术结果。 手术和术后并发症导致种植体植入程序的多次修改。16 只兔子中有 14 只 (87.5%) 在外科手术中幸存下来,2 只兔子出现术后并发症需要安乐死。动物按手术日期的时间顺序显示。 请点击此处下载此表格。
描述的麻醉诱导、监测和支持方案平衡了手术方法和易用性的研究需求与兽医护理的黄金标准。在实验室采用所述方案作为标准程序之前,还试验了其他几种潜在的改进方法,包括背侧皮下植入物植入、使用气管插管或喉罩气道以及使用食管听诊器附件进行心率监测。然而,由于各种原因,所有这些最终都被放弃了。虽然有足够的皮下空间用于遥测放置,但由于遥测本体和电线出口设计而无法关闭死腔,电线定位和盘绕的挑战以允许动物生长,以及术中需要 2 次位置变化以确保心电图导致显着延长手术时间并增加不必要的后勤挑战。此外,虽然通常不推荐使用面罩麻醉,但缺乏合适尺寸的 LMA 以及放置后无法固定和维持气管插管,因此排除了这些选择。需要在手术中翻转套件,并且需要进入头部的颈部和背部,即使在成功放置后,根据先前描述的新生兔插管技术,也限制了固定气管插管的选择25。我们还试验了在脉搏血氧仪或多普勒信号丢失的情况下,在套件覆盖套件后使用食管听诊器探头进行心率监测。然而,所有市售的食管听诊器都太大,每次放置都会导致迷走神经反应和不可持续的心动过缓。
选择使用七氟烷而不是异氟烷进行吸入麻醉,麻醉结果可能大大增强。七氟烷在一些兔组织中显示出较小的血管舒张作用26,并且在人类文献中被广泛认为可以增强心血管稳定性27。特别重要的是,考虑到在气道管理不理想的环境中麻醉的风险,七氟烷的快速诱导和出现在多个物种中记录 28,29,30 以及滴定麻醉剂剂量的能力导致麻醉发作缩短,并能够在快速发展的手术环境中快速改变麻醉平面。此外,吸入七氟烷被认为对面罩诱导的厌恶程度明显降低,这可能导致新生兔子屏气减少31。兔子中的多沙普兰已被证明是成年兔的有效呼吸兴奋剂32,33,我们轶事地赞赏了新生兔模型中的反应。
虽然该方案的成功是显而易见的,但在镇痛和麻醉监测方面存在潜在的改进途径。由于没有研究表明新生兔的剂量指导,因此剂量和频率针对物种特异性建议的低端。在恢复和试验啮齿动物特异性麻醉监测平台上额外剂量的丁丙诺啡可以进一步提高该模型中的存活率并改善动物福利。恢复后丁丙诺啡的额外给药将延长多模式镇痛的效果,同时最大限度地减少兔子记录的剂量依赖性呼吸抑制和胃肠道淤滞效应34,35。使用兽医手持式血糖仪,所有术后动物术后即刻血糖 (250-400 mg/dL) 均出现中度至重度升高。这可能表明由于围急性期术后疼痛而导致的夸大应激反应,基于最近一篇将高血糖水平与兔子胃肠道疾病严重程度联系起来的出版物36。由于所有动物在手术后 3 天或更短的时间内体重恢复增加,并且在术后 12-24 小时内切口部位活动正常且无疼痛,因此我们认为该模型不需要延长阿片类药物给药。啮齿动物专用麻醉监测设备,包括呼吸监测,在各种制造商提供的产品中变得越来越普遍37。按理说,如果这些系统能够与其他体型相当、心率相似的动物(如新生兔)一起工作,那么使用这些系统之一将提高麻醉存活率。不幸的是,在为本研究购买这些产品之前,我们无法获得这些产品或试用它们。
近年来,植入式遥测设备取得了进步,包括更长的电池寿命、更小的植入物,以及能够测量啮齿动物、犬科动物和非人类灵长类动物的多种感兴趣的生物电位,同时允许动物自由移动,减轻压力 38,39,40。使用植入式遥测设备在兔子中同时记录脑电图和心电图,与目前的系留方法相比具有优势41。借助植入式设备,兔子可以在没有拴绳或束缚的情况下在家笼中自由移动,并且幼崽能够与母鹿和猫砂一起返回巢穴,从而减轻压力并促进动物福利。如果出现并发症,仔细的术后监测程序是否感染或应激的迹象也允许早期兽医干预。植入套件允许在大脑发育的关键时期进行 EEG 评估,这在遗传性癫痫模型中可能是必不可少的,而无需改变住房实践。此外,在植入电池的使用寿命内连续捕获遥测数据,从而可以捕获罕见的 SUDEP 事件。转基因兔子的出现为人类疾病建模提供了独特的机会。此外,与 FDA 药物批准所需的其他大型动物评估相比,使用兔子模型可能具有显着优势。诸如所介绍的方法将允许对这些模型中的心脏和神经生理学进行高级评估,并通过治疗干预对其进行改变。
作者没有什么可披露的。
作者感谢 NIH R61NS130070 对 LLI 的资助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 inch elastic wrap - Coban or Vetwrap | 3M | https://www.3m.com/3M/en_US/p/d/b00003186/ | |
4-0 PDS monofilament suture | Ethicon | https://www.jnjmedtech.com/en-US/company/ethicon/all-products | |
5-0 Ethilon nylon suture | Ethicon | https://www.jnjmedtech.com/en-US/company/ethicon/all-products | |
Acquisition computer | Dell | https://www.dell.com/en-us | |
Adhesive surgical towels | N/A | N/A | |
Anesthesia circuit - Jackson-Reevs with 0.5 L rebreathing bag | JorVet | J0248GA | |
Betadine scrub | N/A | N/A | |
Bupivicaine (0.5%) | N/A | N/A | Diluted to 2.5 mg/mL prior to administration |
Buprenorphine (0.3 mg/mL) | N/A | N/A | Diluted to 0.03 mg/mL prior to administration |
Burr - 1.00 mm | Cell Point Scientific | 60-1000 | to drill skull |
Cafazolin (1 g lypholized) | N/A | N/A | Diluted to 50 mg/mL |
Carprofen (50 mg/mL) | MWI Veterinary | Diluted to 25 mg/mL prior to administration | |
Cotton tipped applicators | N/A | N/A | |
Custom 3-D printed face mask | N/A | https://www.thingiverse.com/thing:923725 | |
Dental acrylic | N/A | N/A | |
Diet Gel Criticare | Clear H2O | 72-05-5042 | Nutritional support |
Dopper Gel - Aquasonic | Patterson | 07-890-5542 | |
Doppler - Vet-Dop2 | Patterson | 07-888-8986 | |
Doxapram (20 mg/mL) | MWI Veterinary | N/A | Emergency only |
Dumont #5 Fine Forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | For holding screws |
Duraprep | 3M | 8630 | Final skin prep |
ecgAuto data analysis software | emka technologies | N/A | |
Epinephrine (1:1000) | MWI Veterinary | N/A | Emergency only |
Gauze | N/A | N/A | |
Glucometer ipet Pro | MWI Veterinary | 63867 | Monitor if poor recovery |
Glycopyrrolate (0.2 mg/mL) | MWI Veterinary | N/A | Emergency only |
Gram scale | N/A | N/A | |
Hemostats | Fine Science Tools | 13008-12 | Hold wire loops while tying the loop in place |
Ideal Micro-drill | Cell Point Scientific | 67-1204 | To drill skull |
Incubator | DRE-veterinary (Infantia - NB1) | N/A | |
Induction box | VetEquip | 941444 | |
Infared heating pad - RightTemp Jr | Kent Scientific Corporation | RT-0502 | |
IOX2 data acquisition software | emka technologies | N/A | |
IV Catheter - Covidein Monoject 26 G, 3/4 inch PTFE | Patterson | 07-836-8494 | |
ketamine (100 mg/mL) | MWI Veterinary | N/A | |
Medical tape | N/A | N/A | |
Narrow Pattern Forceps - Straight/12 cm | Fine Science Tools | 11002-12 | |
Neonatal stethescope | Ultrascope | N/A | |
Olsen-Hegar Needle holder with scissors - 12 cm | Fine Science Tools | 12002-12 | For suturing |
Ophthalmic ointment Puralube | MWI Veterinary | N/A | Administered to both eyes during anesthesia |
Opthalmic Lubricant - Paralube Vet | Patterson | 07-888-2572 | |
Pulse oximeter (AccuWave Portable ) | Patterson | 07-892-9128 | For prep and recovery; reads HR up to 400 |
Pulse oximeter (SDI - Vet/Ox plus 4700) | Heska | N/A | Intra-operative; no longer producted |
Receiver | emka technologies | N/A | 1 receiver for every 4 telemetry implants |
Rectal thermometer | N/A | N/A | |
Scalpel | Fine Science Tools | 10003-12 | |
Scissors | Fine Science Tools | 14002-12 | To cut drape |
Screw driver - 1.0 mm | N/A | N/A | From mini-screwdriver set for electronics |
Screws 00-96 x 3/32 (2.4 mm) | Protech International | 8L0X3905202F | |
Sevoflurane | MWI Veterinary | Maintenance anesthesia | |
Sevoflurane vaporizer and anesthesia machine | N/A | N/A | |
Skin glue, Gluture | MWI Veterinary | 34207 | Apply sparingly with syringe |
Small scissors | Fine Science Tools | 14084-08 | |
Sterile aluminum foil | N/A | N/A | To wrap wires prior to rotating animal |
Sterile paint brush | N/A | N/A | To apply dental acrylic |
Sterile Saline | N/A | N/A | |
Sterile surgical gloves | N/A | N/A | |
Sterile ultrasound cover | N/A | N/A | To cover the drill |
Sterile Water | N/A | N/A | For cefazolin reconstitution |
Surgical blade no. 15 | N/A | N/A | |
Surgical drape | N/A | N/A | |
Surgical gown | N/A | N/A | |
Swivel connector - Jorgensen Labs | Patterson | 07-802-2349 | To connect anesthesia circuit to face mask |
Telemetry implant | emka technologies | easyTEL+_M1_EETA_B_35 | |
Trocar | SAI | TRO-10-6 | To tunnel wires |
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