Chronic疼痛影响着全球20.4%的人口。1脊髓刺激(SCS)和背根神经节刺激(DRG)等神经调节技术被用于治疗医学上难治性疼痛,全球每年有超过10万例手术。2在局灶性疼痛的病例中,DRG刺激比SCS更有效。3.最近,我们的实验室证明,单一处理与外部低强度聚焦超声(liFUS)对DRG在慢性疼痛啮齿动物模型中产生了3-5天的机械、热和毒性疼痛的显著改善。4 - 7具体来说,我们已经证明,L5 DRG的liFUS治疗以剂量依赖的方式诱导抗损伤作用,而不会引起组织学损伤。4,5,7,8反复治疗未见快速过敏反应。8
虽然电刺激的治疗用途很普遍,但低剂量的热能在调节慢性疼痛方面使用较少。9 - 12射频技术已被证明能提供短期的疼痛缓解。然而,无法使治疗区与病变组织一致,同时限制了正常组织的暴露,限制了效用。此外,这种治疗仍然是侵入性的。13,14体外超声治疗已被有效地应用于人类,主要是在物理治疗的背景下缓解急性疼痛,其效果可能归因于肌肉和肌腱的放松。15,16目前,FUS在临床上使用的剂量可导致消融(例如,消融脑组织以治疗运动障碍);然而,调节liFUS治疗仍处于研究阶段。17-22缺乏转化到临床的一个原因是缺乏能够到达深层神经组织进行精确调节的设备。23,24
liFUS可以通过一个外部手持式、水耦合、体积聚焦的应用器传输,产生低强度的波形,能够在不造成损伤的情况下调制神经。我们现有的设备足以用于啮齿动物,但需要修改以针对更深的结构。5,6在这项研究中,我们使用我们新的liFUS阵列来减少猪总腓神经损伤(CPNI)模型中的异位痛和疼痛行为。
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CPNI猪模型
这项研究得到了机构动物护理和使用委员会的批准。简单地说,在到达24小时后,7到8周大的阉割雄性约克郡农场猪(帕森氏)开始了1周的适应过程。每天,动物们都被允许走出笼子去适应新的环境;猪可以在受控的环境中进行社交和互动。研究人员还每天花20分钟与动物坐在一起,研究人员在整个研究过程中保持不变。吊索训练在抵达后48小时开始。在行为测试之前,动物每天两次被吊入吊带(Lomir Biomedical),以适应吊带。所有的动物都被关在围栏里(188 × 88厘米),从7点开始一直开着灯我到7点.每天提供两次饲料(每天总体重3%:Envigo Teklad迷你酒饮食),并免费提供水。提供了一个塑料球或大头针用于浓缩。
在CPNI手术中,xylazine (2.2 mg/kg)、氯胺酮(2.2 mg/kg)和telazol (4.4 mg/kg)的混合物经皮下(s.c)联合5%异氟醚诱导麻醉。手术期间动物维持1.6%-2%异氟醚。卡洛芬(2.2 mg/kg)和头孢唑林(4.4 mg/kg)也给予(s.c)。体温保持在38.6℃±0.5℃25给予乳酸林格氏液(7 ml/kg/hr静脉滴注;百特医疗保健公司)。将动物置于俯卧位,剃除左后腿,在腓骨头后2cm处(上2cm,下2cm)标记为切口外部地标。在切口部位注射布比卡因(最高2mg /kg s.c)。放置无菌悬垂物和Ioban (3M)以创造一个无菌领域。切开,电灼凝固肌肉,钝性解剖显示腓总神经(CPN);在神经周围放置两根丝线,间隔1-2厘米。肌肉层和皮下组织重新逼近,使用Ford连锁缝合方法缝合皮肤。动物们有7天的时间恢复。
感觉阈值和行为测试
前4只动物只进行了为期1周的行为测试。第一组最后4只动物的随访期延长至4周,因为运动反应在1周后保持改善,并有必要进一步探索影响的持续时间。在第二队列中,这一时间段被缩短为3周,因为行为发现在第3周至第4周之间保持稳定,并且由于快速生长而增加的动物尺寸对动物设施工作人员持续提升构成了风险。
如前所述,在liFUS之前,使用von Frey纤维(VFFs)和热测试评估cpni手术后的基线反应,同时猪处于Lomir生物医学吊带中。26加权VFFs(范围从1到284 g)用于确定机械灵敏度,以确认CPNI手术后的异位性疼痛,并评估liFUS治疗引起的机械阈值的任何变化。采用Chaplan上下法确定力学阈值。27在后蹄背侧皮肤上施加VFFs 3次,持续3 - 5秒,根据六反应测试计算50%的机械阈值。纤维按升力顺序施加,直到引起反应。异源性疼痛被定义为对重量为4.0 g或更小的vff的反应,如果动物在CPNI后1周出现异源性疼痛,则CPNI手术被认为是成功的。反应被定义为踢腿、护蹄或退缩。如果猪没有反应,则使用重量次之高的VFF。或者,如果有响应,则使用下一个权重最低的VFF。liFUS后,重复试验,治疗成功定义为异速阈值的显著改善。如果动物对最高重量的VFF(284克)没有反应,试验终止。
评估热敏感性(Medoc途径,CHEPS,先进医疗系统)。一个加热探头放在后蹄背侧的皮肤上,以每秒0.5°C的速度将温度从25°C提高到50°C。如果升高的温度引起了反应,测试就会终止,并记录动物反应的温度。热异常痛被定义为对加热探头的任何反应。在liFUS处理后,改善被定义为对高于异动状态下的温度的响应或对最高温度无响应。反应的定义类似于VFF反应,如踢、护蹄或后退。所有猪都接受热测试,在lifus前和lifus后分别在吊带中放置30-40分钟和24小时1周。
社会和运动行为是通过以前在迷你猪中使用的方法确定的。28在10分钟的时间内,对自由活动的动物进行评估和评分,包括外观(0-1)、发声(0-2)和腿部负重(0-1)。CPNI手术后,运动评分受损,特别是腿部保护,是定义异位痛的另一项指标。liFUS后的改善是通过较低的运动评分来确定的。社会互动被分为躁动(0-2)、攻击性(0-2)、孤立(0-1)和不安(0-2)。在这两项测试中,分数越低,受损程度越低。
liFUS治疗
第一组猪(第一组,到达时7周龄,13-14公斤;n = 8),通过修正的剂量-反应曲线确定liFUS治疗参数。参数范围为25 ~ 30w,持续3 ~ 4分钟。探头周围循环水流速为20 ~ 26 ml/min,温度为15℃~ 25℃。对于liFUS,动物的麻醉方案与CPNI手术相同。动物被置于俯卧位。左侧L5 - 6界面和左侧L5 DRG通过触诊髂后棘水平的腰椎间隙来定位,这一方法我们已经通过之前的解剖得到了验证。通过测量距离该地标横向9厘米来标记liFUS应用部位(图1).
使用SonixMDP(超声波)超声成像系统对L5 DRG进行显像,在探头上方1cm处刺入一个热电偶,在超声直接显像下插入。热电偶放置于硬膜外,紧挨着DRG。成像和FUS探针随后放置于充满aquasan100超声凝胶的无菌袋中(南方麻醉外科)。凝胶也应用于覆盖每个探针的塑料袋的外面。liFUS换能器阵列聚焦到DRG,并给予治疗。在liFUS治疗后,热电偶仍在原位,当组织温度恢复到基线水平时,热电偶被移除。记录了处理过程中温度升高的最大值和持续时间。
同时,除了前2只动物(Axoscope, Molecular Devices)外,所有动物都监测了CPN神经传导速度(ncv)和振幅。刺激电极以80 Hz的频率连续输出交流电30秒,延迟0.8 msec,持续时间14 msec,电压50 mV,基线记录增益5 mV。在liFUS治疗前记录基线测量,动物进行行为测试以确认异响痛。liFUS治疗后,每5分钟记录数据30秒。29数据分析侧重于基线记录与liFUS后记录数据之间的变化,以评估CPN ncv治疗的影响。感觉神经动作电位(SNAP)记录用Clampfit (Molecular Devices)进行分析。这个设置没有干扰liFUS的录音。考虑到liFUS后CPN振幅的变化,我们使用Bair hugger加热毯,设置为38°C (3M)来控制动物温度。30.在NCV和振幅测量之前和期间,还使用红外体温计(Gaomu)监测左后腿温度。
组织学分析
行为学测试完成后,对所有动物实施安乐死。经心灌注使用肝素化生理盐水(4 L),然后用4%多聚甲醛(缓冲,5 L)。左L5 DRG,左背角受DRG支配(DH;猪T15至LI),切除左侧CPN。样品用石蜡包埋,5 μm切片。氟玉(Sigma-Aldrich)染色和H&E染色采用改进的方案。31使用蔡司AXIO Imager M2显微镜(×40)和Hamamatsu Ocra-Flash 4.0数码相机对样品进行成像。
结果
剂量反应曲线
初始8头猪的平均±SEM体重为13.88±0.54 kg,在CPNI手术后7天接受liFUS治疗。通过改变处理功率、持续时间和流速来评估DRG的温度变化(表1).在8只动物中,有6只动物的温度变化维持在低水平(1.12°C±0.31°C)。出于安全考虑,DRG温度分别为9.2°C和12.8°C,两次处理记录被确定在可接受范围之外。在12.8°C变化的动物中,也发生了一级皮肤烧伤。在适当DRG温度变化的动物中发生了另一次一级烧伤。针对第二次燃烧,我们在未来的试验中将冷却液流速从20 ml/min增加到26 ml/min,并将冷却液温度更改为17°C。
liFUS治疗剂量在较小的猪
猪ID | 预lifus (kg) | 处理功率(W) | 治疗时间 | 流量(ml/min) | 不良事件 | 异常性疼痛改善 | Δ温度(℃) | DRG深度(cm) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
181 | 13 | 25 | 3分40秒 | 20. | 没有一个 | 是的 | 2.1 | 4 |
182 | 13.45 | 25 | 3分40秒 | 20. | 燃烧 | 是的 | 1.6 | 4 |
183* | 13.36 | 25 | 3分钟 | 27 | 相关的活动血肿 | 是的 | 1.5 | 3.5 |
184 | 11.79 | 30. | 3分30秒 | 26 | 伤口破裂 | 是的 | 9.2 | 3.5 |
185* | 13.6 | 25 | 4分钟 | 26 | 燃烧 | 是的 | 12.8 | 4 |
186 | 15 | 28 | 4分钟 | 26 | 伤口破裂,烧伤 | 是的 | 1.3 | 3.5 |
187 | 17.32 | 28 | 3分30秒 | 26 | 没有一个 | 是的 | 0.2 | 4 |
动物接受不同的liFUS治疗剂量,并对治疗功率、时间或冷却剂水流速率进行调整。在liFUS治疗成功的7只小动物中,记录了异常疼痛和不良事件的改善。
收集组织进行组织学分析。
在liFUS治疗后,8只动物中有7只表现出痛觉性VFF反应的显著减少,不再表现出机械性异响痛。值得注意的是,由于前2只动物后蹄腹侧的厚度,我们不得不调整我们的VFF评估。其余6只动物使用背后蹄。与神经病变状态相比,liFUS术后3天VFF评分显著增加(3.93±1.02 g;单向重复测量方差分析;liFUS的主要疗效,p < 0.001)。治疗后96小时,机械阈值仍有显著改善(265.10±16.79 g, p = 0.02) (图2一个).第5 ~ 7天效果不显著(分别为91.23±39.78、18.08±10.54和70.75±47.79 g)。
在liFUS前和liFUS后1小时记录CPN基线snap。4只动物反应相似,2只没有。对于基线SNAP反应相似的4只动物,传导速度显著增加(单向重复测量方差分析;liFUS的主效应,p = 0.002)在liFUS前和liFUS后的snap (表2;Tukey事后检验,p < 0.001)。术后30分钟NCV无明显变化。liFUS治疗后SNAP振幅也显著下降(单向重复测量方差分析;liFUS的主要疗效,p < 0.001)。这种效果在治疗后持续30分钟(表2;Tukey事后检验,p < 0.001)。在2只动物的组中,传导速度和振幅在基线时提高了10倍,与神经病变中的人类神经传导研究数据不一致。32由于本队列人数较少,未进行统计学分析(lifus前传导速度7.18±0.81 m/sec;振幅7.99±0.06 mV)。两项指标均未显示liFUS治疗导致的变化(数据未显示)。
小猪的传导速度和振幅
的计算 | 平均神经传导速度(NCV, m/sec)±SEM (n = 4) | p值(NCV) | 振幅(mV)±SEM (n = 4) | p值(振幅) |
---|---|---|---|---|
Pre-liFUS | 8.74±0.54 | - - - - - - | 1.68±0.37 | - - - - - - |
Post-liFUS(分钟) | ||||
5 | 10.85±0.85 | 0.02 | 0.06±0.03 | 0.03 |
10 | 10.29±0.75 | 0.004 | 0.05±0.02 | 0.03 |
15 | 10.49±0.81 | 0.01 | 0.06±0.02 | 0.03 |
20. | 10.09±0.67 | 0.01 | 0.09±0.04 | 0.04 |
25 | 10.29±0.75 | 0.01 | 0.06±0.01 | 0.03 |
30. | 9.65±0.63 | 0.001 | 0.05±0.01 | 0.03 |
35 | 8.47±0.80 | 0.43 | 2.09±2.08 | > 0.99 |
40 | 8.31±0.82 | 0.35 | 2.13±2.11 | > 0.99 |
45 | 8.30±0.82 | 0.26 | 2.14±2.12 | > 0.99 |
50 | 8.42±0.72 | 0.24 | 2.11±2.10 | > 0.99 |
55 | 8.24±0.68 | 0.76 | 2.12±2.11 | > 0.99 |
60 | 7.92±0.75 | 0.91 | 2.11±2.10 | > 0.99 |
NCV是指在较小的猪中比较lifus前和lifus后的±SEMs (n = 6)。
CPNI手术后,所有8只动物的护腿行为都有所增加(7只动物的运动得分为1,1只动物的运动得分为2)。CPNI手术后,社会得分保持在基线水平。lifus治疗24小时后,8只动物中有7只的行为测试恢复到正常范围,运动评分恢复到0。一只动物表现出异常的社会反应(表现出的躁动得分为1)和运动反应(发声得分为1)。在lifus单次治疗后,恢复到基线运动评分可持续4周。
最佳剂量下行为反应的验证
我们有意使用第二组较大的动物(19.85±0.63 kg;N = 4),以证明我们在第一组动物中开发的剂量模式调节异动反应的可行性。具体而言,为了适应这些较大动物DRG的深度(4.5-4.75 cm),处理功率增加到28 W,时间从3.5 - 4分钟不等,在17°C - 18°C的水中,探针水流速保持在26 ml/min (表3).所有4只动物在liFUS治疗期间测量的DRG温度的平均变化为0.80°C±0.41°C。
liFUS治疗剂量在较大的猪
猪ID | 预lifus (kg) | 处理功率(W) | 治疗时间 | 流量(ml/min) | 不良事件 | 异常性疼痛改善 | Δ温度(℃) | DRG深度(cm) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
188 | 17.9 | 28 | 3分30秒 | 26 | 没有一个 | 是的 | 2.2 | 4.5 |
189* | 21.1 | 28 | 4分钟 | 26 | 没有一个 | 是的 | 0.3 | 4.5 |
190* | 20.8 | 28 | 3分30秒 | 26 | 没有一个 | 是的 | 0.3 | 4.75 |
191 | 19.6 | 28 | 4分钟 | 26 | 没有一个 | 是的 | 0.4 | 4.5 |
动物接受不同的liFUS治疗剂量,并对治疗功率、时间或流速进行调整。在测试治疗算法的4只较大动物中记录了异响痛和不良事件的改善。
收集组织进行组织学分析。
通过liFUS, CNPI机械痛觉阈值显著改善(重复测量的单向方差分析;liFUS的主要疗效,p < 0.001)。cpni后基线VFF评分为0.99±0.19 g。在liFUS治疗后,机械性异位痛逆转并显著改善(图2 b;术后24小时(269.6±12.25 g, p < 0.001)、48小时(269.6±12.25 g, p < 0.001)、72小时(269.6±12.25 g, p < 0.01)和96小时(269.6±12.25 g, p < 0.001)的Tukey比较。值得注意的是,在lifus术后5天,动物仍表现出显著改善(269.6±12.25 g, p < 0.001)。在后来的测试时间点,单一liFUS治疗的效果不再显著。
cpni后观察到基线热敏度增加(33.17°C±2.00°C)。liFUS治疗24小时后,热敏感性显著降低,并测量响应阈值为45.00°C±2.50°C (图2 c;单向重复测量方差分析;liFUS的主效应,p = 0.02)。治疗后24小时这种改善是显著的(Tukey事后检验,p = 0.03)。lifus术后7天,热阈值(37.04°C±3.74°C, p = 0.50)与cpni后基线相似(图2 c).在liFUS治疗后,运动评分从基线的1提高到0,并且在liFUS治疗后24小时到3周内,所有动物的这种改善都持续存在。
在liFUS前和liFUS后snap之间的单向重复测量方差分析显示,liFUS后30分钟,传导速度显著增加(p = 0.01),振幅下降(p < 0.001) (表4).
大猪的传导速度和振幅
的计算 | 中译(m /秒;N = 4) | p值(NCV) | 振幅(mV;N = 4) | p值(振幅) |
---|---|---|---|---|
Pre-liFUS | 8.98±0.38 | - - - - - - | 2.52±0.16 | - - - - - - |
Post-liFUS(分钟) | ||||
5 | 12.06±0.33 | 0.06 | 0.09±0.02 | 0.003 |
10 | 10.71±0.26 | 0.02 | 0.05±0.02 | 0.003 |
15 | 11.34±0.40 | 0.003 | 0.08±0.03 | 0.002 |
20. | 11.37±0.26 | 0.07 | 0.13±0.08 | 0.002 |
25 | 11.27±0.36 | 0.01 | 0.06±0.02 | 0.002 |
30. | 10.21±0.44 | 0.09 | 0.04±0.02 | 0.003 |
比较大猪liFUS治疗前与liFUS治疗后时间点的NCV平均值±sem (n = 4)。
讨论
在这项研究中,我们证明了体外liFUS在神经病变猪中调节DRG的可行性。对8头猪进行初步试验,确定了处理所需的工作参数。在第二组更大的动物身上证实了最佳设备结果。在两组中,在大型动物CPNI模型中,机械和热阈值都有显著改善。此外,接受lifus治疗的动物运动评分有所改善,在后续随访期间恢复到基线水平。使用Fluoro-Jade染色没有发现神经元变性的证据,H&E染色没有显示细胞损伤的迹象,即使在DRG温度变化超过9°C的情况下。我们开始了机制研究,证明lifus治疗的动物在lifus后30分钟内CPN NCV增加,振幅降低。
给药liFUS显著改善了在体猪模型的热和机械异常痛,并有效地达到了皮肤表面以下4.75 cm的DRG目标。机械性异常痛逆转5 d;类似的热异常痛逆转持续了24小时。治疗后无组织损伤,平均±SEM温度变化为0.80℃±0.41℃。在liFUS治疗后,运动评分得到改善,并在随访期间保持改善。不管liFUS治疗如何,护腿行为的改善可能随着时间的推移而发生。然而,所有动物在cpni后第6天就出现了这种变化,并在liFUS治疗24小时后(cpni后第7天)消失,这一事实有力地证明了这种变化是liFUS的直接结果。
为了验证liFUS到达DRG,我们监测了传导速度。正如预期的那样,CPNI手术后,猪的CPNs表现出较慢的传导速度,类似于神经性疼痛的人的CPNs。33,34liFUS治疗后,ncv立即恢复到临床认为的猪CPN的健康范围。35NCV和振幅可以作为liFUS成功递送的无创测量,并可能在未来的临床试验中用于评估liFUS靶向DRG的准确性。
在研究早期,我们的NCVs值和振幅不太可靠,与文献不一致。32加装加热毯解决了这个问题。在H&E和Fluoro-Jade染色的所有样品中,DRG组织病理学是一致的,即使在处理部位组织温度超过推荐的> 2°C变化的情况下也是如此。无论liFUS治疗后收集组织的时间(1、3或4周),liFUS均未导致组织学改变。
在我们的“剂量反应”第一队列中,在liFUS应用部位正下方的2只动物中发现了浅表皮肤烧伤。为了纠正这一初始问题,我们降低了处理功率和时间,同时增加了冷却液流量并降低了冷却液温度。所述冷却剂提供所述换能器膜界面和所述蒙皮之间的耦合,并防止所述应用部位的热积聚。最终,我们确定最佳剂量为25 W,频率为2.475 MHz,脉冲为38 Hz,占空比为50%,持续3.5分钟,冷却剂速率为26 ml/min,温度为17°C。我们将振幅增加到28 W,以考虑到第二组动物的更大深度。
虽然由于大型动物模型的物流和费用,这些数据没有得到对照组的支持,但我们之前的啮齿动物研究表明热电偶不影响结果。具体来说,硬膜外热电偶的引入没有改变机械阈值或组织学。4此外,我们小组和其他人对CPNI和坐骨神经损伤的研究表明,神经损伤的自然史导致至少4周的异源性疼痛》(A. Liss等人,未发表数据,2020年)。
我们承认这项工作有局限性。这项工作的迭代性质限制了样本量。然而,我们能够证明原理,并使用一种算法来确定适当的功率调整,以有效地将liFUS治疗提供给深度达6厘米的组织目标。在进行人体研究之前,还需要进一步的设计修改。具体来说,需要更大的深度和非侵入性的热监测手段是必要的。我们的目标是使这种liFUS在临床使用中成为一种完全无创的治疗。我们目前正在探索超声波技术,使我们能够在提供治疗的同时无创监测温度。此外,我们目前的研究只使用阉割的公猪。在未来,雌性猪应该被纳入,因为有证据表明雌性和雄性对疼痛和治疗的反应不同。40,41
结论
综上所述,我们已经证明,在慢性神经性疼痛的大型动物模型中,DRG的体外liFUS会导致机械和热疼痛行为的显著变化以及运动行为的持久变化。此外,热组织监测和NCVs表明liFUS达到了DRG目标。这些指标可用于liFUS治疗的急性监测。
致谢
这项工作得到了NIH拨款SBIR 1 R43 NS107076-01A1(软聚焦HIFU[高强度聚焦超声]治疗腓总神经损伤)的支持。Pilitsis博士获得了来自NIH的非研究相关赠款支持(赠款2R01CA166379-06和U44NS115111)。
披露的信息
Pilitsis博士是Boston Scientific, Nevro, TerSera, Medtronic, Saluda和Abbott的顾问,并获得Medtronic, Boston Scientific, Abbott, Nevro和TerSera的资助。她是Aim medical Robotics和Karuna的医疗顾问,并拥有股权。Clif Burdette, Paul Neubauer, Emery Williams和Goutam Ghoshal是Acoustic MedSystems公司的员工。
作者的贡献
构思与设计:Pilitsis, Hellman, Burdette。数据采集:Pilitsis, Hellman, Maietta, Clum, Byraju, Raviv, Staudt, Shin, Nalwalk。资料分析与解释:Hellman, Byraju, Qian, Pilitsis。文章起草人:海尔曼。批判性地修改文章:Pilitsis, Nalwalk。审查提交的手稿版本:Pilitsis。批准了手稿的最终版本代表所有作者:皮利特西斯。统计分析:Hellman。行政/技术/材料支持:Jeannotte, Ghoshal, Neubauer。 Device development: Ghoshal, Neubauer, Williams, Heffter, Burdette.
参考文献
-
25 ↑
国家猪肉委员会.猪健康建议:所有参加展览或销售的猪的参展商.2013年出版。2020年11月18日访问。https://datcp.wi.gov/Documents/SwineExhibitsSales.pdf