Summary
우리는 생쥐의 척추 전 경로를 통해 양측 상완신경총 신경의 직접 문합 프로토콜을 확립하기 위해 임상 수술을 시뮬레이션하여 중추 및 말초 신경계 손상 후 교차 신경 전달 시 재활의 기초가 되는 신경 메커니즘 연구에 기여했습니다.
Abstract
교차 신경 이식 수술은 상완신경총 경련 손상 환자의 손상된 상지를 복구하기 위한 강력한 접근 방식입니다. 최근 이 수술은 뇌 손상의 임상 치료에 창의적으로 적용되어 마비된 팔의 실질적인 재활을 달성했습니다. 수술 후 이러한 기능적 회복은 말초 감각 운동 중재가 뇌 손상 후 기능 손실을 보상하기 위해 심오한 신경 가소성을 유도한다는 것을 시사합니다. 그러나 근본적인 신경 메커니즘은 잘 이해되지 않습니다. 따라서 응급 임상 동물 모델이 필요합니다. 여기에서 우리는 생쥐의 척추 전 경로를 통해 양측 상완신경총 신경의 직접 문합 프로토콜을 확립하기 위해 임상 수술을 시뮬레이션했습니다. 신경 해부학적, 전기 생리학적, 행동 실험은 이 쥐의 전달된 신경이 손상된 앞다리를 성공적으로 재신경 자극하고 뇌 손상 후 운동 회복을 가속화하는 데 기여한다는 것을 확인하는 데 도움이 되었습니다. 따라서 마우스 모델은 중추 및 말초 신경계 손상 후 교차 신경 전달 시 재활의 기초가 되는 신경 메커니즘을 밝혔습니다.
Introduction
상완신경총(BP)은 팔, 손, 손가락의 감각과 움직임을 담당하는 서로 다른 척추 분절(C5-T1)을 가진 5개의 신경으로 구성되어 있습니다. 이 5개의 BP 신경이 척수에서 빠져나간 후, 이들은 합쳐져 3개의 신경 줄기를 형성합니다: 상부(C5와 C6의 병합에 의해 형성됨), 내측(C7에서), 하부(C8과 T1의 가지). 특히 교통사고로 인한 심각한 부상은 종종 혈압 신경근의 경련으로 이어지며, 이러한 기능 장애는 환자에게 치명적인 영향을 미친다1. 강력한 임상적 접근법으로, 교차 신경 이식 수술은 손상된 신경 말단을 BP의 건강한 쪽에 다시 연결하여 BP의 경련 손상을 복구하기 위해 수행되었습니다 2,3. 이 수술은 다친 손의 기능적 개선과 환자의 양쪽 반구에 있는 감각운동 피질의 직접적인 재편성을 가져온다4. 동물 실험에 따르면 대뇌 피질 회로의 급격한 재편성은 신경 전달을 통과한 후 유도되었다5. 말초 감각 운동 변형은 성숙한 뇌의 휴면 가소성을 재활성화할 수 있기 때문에 교차 신경 전달 수술은 뇌 손상을 복구하는 데 큰 잠재력을 가지고 있다6.
최근에는 중추신경계 문제에 대한 새로운 말초신경 변화 전략으로 교차 신경 전달의 창의적 활용 가능성을 확인했습니다. 교차 신경 전달 수술의 일종인 반대측 경추 제7 신경 이식술(CC7)은 뇌손상 후 환자의 C7 신경을 마비되지 않은 쪽에서 마비된 쪽으로 전달하여 마비된 팔의 상당한 기능적 회복을 달성하기 위해 적용되었다7. 이 외과 수술의 독특한 특징은 마비된 상지의 감각 및 운동 신호가 "좌우 교차" 전위된 신경을 통해 반대 반구로 전달된다는 것입니다. 특히, CC7 수술에 의한 기능적 회복은 C7 신경 자체에 의해 신경 분포된 기능에 국한되지 않는다8. 또한 CC7 수술은 뇌성마비 소아 치료뿐만 아니라 중장년 뇌졸중 환자의 재활에도 사용할 수 있습니다. 따라서 교차 신경 전달이 신경 가소성을 자극하여 말초 감각 운동 시스템을 조절하여 뇌 손상으로부터 운동 회복을 가속화할 수 있다고 믿을 수 있는 충분한 이유가 있습니다.
교차 신경 이식 수술은 상완신경총 손상(BPI)과 뇌 손상의 임상 치료에서 상당한 재활을 달성했지만 이 수술의 기저에 있는 신경 메커니즘은 여전히 잘 이해되지 않고 있습니다. 임상적 특징을 특징으로 하는 적절한 동물 모델이 없기 때문에 내부 메커니즘에 대한 연구가 제한되었습니다. 전통적으로 클리닉에서는 병변 반대쪽의 C7 신경근이 신경 이식편(예: 척골 신경, 구럴 신경 또는 복재정)을 통해 손상된 쪽으로 전달되고 영향을 받은 상완신경총(예: 정중 신경, C7 뿌리 또는 하부 몸통)과 연결됩니다2,3,9. 이 수술의 비교적 새로운 변형은 영향을 받지 않은 C7 뿌리를 아무런 틈 없이 척추 전 경로를 통해 영향을 받은 C7 신경으로 직접 전달하는 것으로, 최적의 해결책7을 제안한다. 현재 마우스는 세포 유형 특이성 및 유전적 균주 다양성에서 이점을 나타내며 신경 생리학적 메커니즘을 연구하는 데 더 적합합니다. 따라서 생쥐의 척추 전 경로를 통한 양측 C7 신경근의 직접 문합을 위한 프로토콜을 확립하고 교차 신경 전달 시 재활의 기초가 되는 신경 메커니즘 연구에 기여하기 위해 임상 수술을 시뮬레이션했습니다.
Protocol
모든 동물 실험은 푸단대학교 실험동물보호위원회와 중국과학원의 국립보건원 지침에 따라 승인되었습니다. 8주 된 성인 수컷 C57BL/6N 마우스를 사용하였다.
1. 수술 전 설정
- 고압멸균 멸균 수술 기구, 장비, 진통제 및 마취제의 적절한 재고를 확보하십시오.
- 수술대에 적절한 작업 공간을 확보하십시오.
- 기저귀로 덮인 맞춤형 수술용 폼 보드를 마우스 침대로 사용하여 수술대를 준비합니다. 멸균 거즈로 덮인 의료용 테이프로 폼 보드에 보온 패드를 고정합니다.
- 혈관 겸자를 사용하여 침을 구부리고 반으로 접은 다음 접힌 침의 끝을 구부려 고리로 구부려 견인기를 만듭니다. 침 끝에 고무 스트립을 고정하고 압정을 사용하여 고무 스트립 끝을 폼 보드에 고정합니다.
- 실체현미경을 보정합니다. 적절한 초점 거리를 가진 실체현미경을 선택하십시오. 줌/초점 버튼을 멸균된 알루미늄 호일로 덮어 외과의가 수술 중에 조정할 수 있도록 합니다. 멸균된 알루미늄 호일을 줌/초점 버튼에 배치하여 외과의가 멸균 장갑과 함께 사용할 수 있도록 했습니다.
2. 마우스 마취 및 준비
- 마우스의 무게를 측정하고 체중에 해당하는 마취(이소플루란 3%)합니다. 마취 깊이를 확인하기 위해 발의 디지털 간 공간을 꼬집었을 때 마우스가 반응하지 않는지 확인하십시오. 시술 내내 적절한 마취 깊이를 유지해야 합니다(1% 이소플루란).
- 안과 연고를 눈에 양측으로 발라 수술 중 각막의 자극이나 건조를 방지합니다.
- 자동 가위로 목과 가슴의 털을 면도하여 수술 부위를 준비합니다. 느슨한 머리카락을 제거하고 청소하십시오.
- 멸균 거즈로 덮인 보온 패드에 마우스를 누운 자세로 놓습니다. 전체 작동 중에 마우스 온도를 37°C로 유지하십시오. 의료용 테이프로 마우스를 고정하여 앞다리가 수평으로 외전되도록 하고 뒷다리와 꼬리가 움직이지 않도록 합니다. 적절한 개구부가 있는 멸균된 일회용 수술용 드레이프를 마우스에 배치하였다.
3. 수술 절차
- 선제적 진통제로 트라마돌을 주사합니다(20mg/kg, ip). 쇄골의 위쪽 가장자리에 가로 절개를 표시합니다. 요오드포 소독 용액과 에탄올을 번갈아 가며 3회 사용하여 수술 부위를 소독합니다. 수술 전에 발가락 꼬집으로 마취 깊이를 확인합니다.
- 현미경으로 작업하면서 멸균 메스를 사용하여 표시를 따라 4mm 가로 절개를 합니다. 필요에 따라 시술 중 절개 부위를 확대합니다.
- 피하 근막을 무뚝뚝하게 절개하고 턱밑샘의 하부 경계를 식별합니다. 턱밑샘을 위로 당겨 쇄골상과 흉골을 노출시킵니다.
참고: 이 부위에 소구경 혈관이 있을 수 있습니다. 출혈을 멈추기 위해 전기 소작을 사용할 수 있습니다. - 중간 선을 따라 머리에서 꼬리까지 흉골을 절개하여 부분 정중 흉골 절개술(~4mm)을 합니다. 흉골 절개술 중 흉막, 심장 및 혈관을 보호하십시오.
- 흉골설근을 확인합니다. 침술 바늘로 만든 두 개의 작은 맞춤형 견인기로 흉골을 부드럽게 당기고 기관과 식도 위의 흉골 설근을 확인합니다. 이 근육을 수축시켜 경동맥, 내부 경정맥, 횡격막, 미주 신경, 기관 및 식도를 노출시킵니다.
알림: 개방성 기흉을 피하기 위해 흉골을 부드럽게 수축시킵니다. 인간과 달리 쥐의 식도는 기관 뒤에 있지 않고 왼쪽의 기관에 인접해 있습니다. - 왼쪽 상완신경총을 확인합니다. 좌측 내경정맥의 측면 가장자리에서 근막과 지방 조직을 바깥쪽으로 당겨 상완신경총을 노출시킵니다. 세 개의 가지가 있는 C5 및 C6 신경으로 구성된 상부 줄기를 찾으십시오. C7 신경으로 구성된 중간 몸통과 C8 및 T1 신경으로 구성된 아래쪽 몸통을 위쪽 몸통을 따라 쥐의 꼬리까지 식별합니다.
참고: 상완신경총 표면에는 세로 혈관이 있습니다. 출혈을 방지하기 위해 전기 소작을 사용하십시오. 좌측 상완신경총을 분리할 때 유실누공을 피하기 위해 유실을 보호하십시오. - 왼쪽 C7 신경을 채취합니다. 쇄골 아래 분열-척수 수준까지 원위부로 중간 몸통(C7 신경)의 전방 및 후방 분할을 절개하고 신경 줄기에 국소 주입하여 2% 리도카인 0.1mL로 C7 신경을 차단합니다. C7 신경은 외측 탯줄 및 후방 탯줄과 합쳐지는 지점에서 vannas 스프링 가위로 절제합니다. 각 부분의 길이가 비슷하도록 C7 신경을 다듬습니다.
참고: C7 신경의 전방 및 후방 부분과 상부 및 하부 몸통의 전방 및 후방 부분은 합류 전에 먼 거리를 달리므로 절제 전에 C7 신경을 충분히 풀어야 합니다. 사실, C7 신경이 항상 두 부분으로 나뉘는 것은 아닙니다. 때로는 3 개 부문으로 나뉘거나 드문 경우 4 개로 나뉩니다. - 왼쪽 C6 lamina ventralis를 제거합니다. 횡격막 신경을 조심스럽게 보호하고 C6 분절 수준에서 전방 비늘 근육을 심하게 하여 C7 신경근을 노출시킵니다. 척추 주위 근육을 신경 자극하는 C7 신경의 작은 가지를 미세 집게로 자릅니다. C7 신경을 부드럽게 빼내고 C6 복판을 조심스럽게 절제합니다.
참고: 좌측 경동맥의 내측과 식도의 측면 사이에 뼈가 돌출되어 있습니다. 이 뼈 돌출부는 6번째 경추의 lamina ventralis입니다. C6 lamina ventralis의 측면 가장자리의 세로 근육은 전방 비늘 근육이며 횡격막 신경은 전방 비늘 근육의 표면에 있습니다. - 오른쪽 C7 신경을 채취합니다. 왼쪽과 유사한 오른쪽의 전방 비늘 근육이 심하고 오른쪽 C7 신경근이 추간공에 가깝습니다. 오른쪽 C7 신경을 분열 수준에서 절개합니다.
알림: 신경 아래 혈관의 손상을 방지하기 위해 오른쪽 C7 신경을 조심스럽게 절단하십시오. - 왼쪽 C7 신경을 전달합니다.
- 양쪽의 척추체 옆에 있는 근육질의 장골 콜리를 부분적으로 제거합니다. 기관-식도와 척추체 사이의 공간을 뭉툭하게 분리하고 확장합니다.
- 척추체의 오른쪽에서 척추 전 경로를 통해 왼쪽으로 반접힌 5-0 나일론 봉합사를 보냅니다.
- 주입 튜브로 왼쪽 C7 신경을 연결하고 척추 전 경로를 통해 신경을 오른쪽으로 유도합니다.
- 기관과 식도를 부드럽게 수축시키고 12-0 나일론 봉합사를 사용하여 긴장 없이 왼쪽 C7 신경의 전방 및 후방 부분을 오른쪽 C7 신경근에 접합합니다. 신경 주위의 에피뇨리움을 4-5바늘 꿰매어 신경을 강하게 접합합니다.
알림: 적절한 두께의 플라스틱 주입 튜브를 선택하는 것이 중요합니다. 튜브가 너무 가늘면 신경이 손상될 수 있고, 튜브가 너무 두꺼우면 기관과 식도가 손상될 수 있습니다. 또한 기관-식도와 척추체 사이의 공간은 "V"자 모양의 공간으로, 근육 장경 콜리의 일부를 절단하면 이동 경로를 단축 할 수 있습니다.
4. 상처 봉합
- 멸균 생리식염수로 상처를 세척하고 멸균 거즈로 말리십시오.
- 흉골을 봉합하고 5-0 모노필라멘트 봉합사를 사용하여 피부를 닫습니다.
5. 수술 후 관리
- 마우스가 마취에서 깨어날 때까지 기다립니다. 마우스를 침구 재료가 없는 깨끗한 케이지로 옮기되 따뜻한 담요로 따뜻하게 합니다. 보행할 수 있을 때까지 마우스를 관찰하십시오. 트라마돌(20mg/kg, i.p.)을 수술 후 진통제로 사용한다.
- 생쥐를 회복 케이지에 넣고 회복될 때까지 모니터링합니다. 수술 후 쥐의 물과 식단을 복원하십시오. 수술 후 영양실조, 구부정한 자세, 주름진 털을 포함한 손상 또는 감염 징후가 있는지 매일 쥐를 모니터링합니다. 수술 후 2주가 지나면 봉합사 제거가 이루어져야 합니다.
참고: 3일 연속으로 매일 상처 표면에 에리스로마이신 연고를 바릅니다. - 상처 부종과 같은 합병증이 관찰되면 즉시 해결해야 합니다.
6. 행동 분석
참고: 모든 행동 테스트 및 분석은 실험 그룹에 대해 눈이 먼 관찰자에 의해 수행되었습니다.
- 실린더 테스트
참고: 실린더 테스트는 수술 후 4주 및 8주에 실린더 내에서 자발적인 수직 탐색 중 앞다리의 사용을 평가합니다21.- 높은 프레임의 투명한 실린더(직경 9cm, 높이 15cm)에 쥐를 놓습니다.
- 관찰 및 기록을 용이하게 하려면 실린더 아래 45° 각도로 거울을 고정하십시오.
- 10분 동안 거울을 사용하여 관찰된 각 쥐의 자발적인 양육을 기록합니다.
- (i) 오른쪽 발, (ii) 왼쪽 발 또는 (iii) 두 발이 유리 벽에 닿은 시간을 수동으로 결정합니다. 각 세션 동안 총 20개의 동작을 계산합니다. 테스트 중에 활성화되지 않은 마우스는 분석에서 제외합니다.
- 테스트 성능을 다음과 같이 채점합니다.
- 그리드 워크 테스트
참고: 그리드 보행 테스트는 수술 후 4주 및 8주에 자발적 탐색 중에 그리드 가로대에 앞발의 정확한 위치를 평가합니다. 22입니다.- 25mm 정사각형 구멍이 있는 철망 격자(20cm x 24cm)에 쥐를 놓고 비디오 카메라로 성능을 녹화하면서 10분 동안 자유롭게 탐색할 수 있도록 합니다.
- 다음 중 하나의 경우 풋 슬립을 채점하십시오.
- 발이 가로대를 완전히 놓친 경우를 찾으십시오(이 경우 팔다리가 가로대 사이에 떨어지고 동물이 균형을 잃음).
- 발이 가로대에 올바르게 놓여 있지만 체중을 지탱하는 동안 미끄러지는 경우를 찾으십시오.
- 검사 결과를 오른쪽 앞다리의 발 미끄러짐 / 전체 발 미끄러짐으로 표현합니다. 실린더 테스트나 그리드 워크 테스트는 훈련이 필요하지 않지만 수술 전에 각 동물을 한 번씩 테스트하여 기준선 점수를 얻습니다.
Representative Results
편측성 뇌 손상은 종종 성인의 보상적 신경 가소성의 한계로 인해 반대쪽 사지의 영구적인 기능 장애를 유발한다10,11. 이전에 우리는 CC7 수술이 뇌 손상 후 성인 환자의 편마비 상지를 치료하는 데 사용될 수 있다고 보고한 바있다 7. 척추 전 경로를 통한 직접 문합 양측 C7 신경에 대한 프로토콜의 효과를 평가하기 위해 편측 외상성 뇌 손상(TBI) 후 마우스에서 교차 신경 전달 수술을 수행했습니다. 그림 1은 TBI 절차를 설명하고 손상 범위와 영향을 확인합니다. 먼저, 전기 피질 타박상 충격기(electric cortical contusion impactor, eCCI)를 사용하여 성인 마우스의 좌반구(전후 = +1.0mm에서 -2.0mm, 내측 = 0.5mm에서 3.5mm)의 대뇌 피질을 손상시켜 편측성 뇌 손상을 일으켰습니다. 2주 후, 해부학적 구조는 이 TBI 프로토콜이 움직임을 시작하는 데 중요한 위치인 감각 운동 피질을 거의 파괴한다는 것을 확인했습니다. 편측성 TBI를 가진 이 마우스는 오른쪽 앞다리의 심각한 운동 결함을 나타냈습니다.
그림 2 는 CC7 절차를 설명합니다. CC7 수술의 경로도는 척추 전 경로를 나타내는 경로 A가 다른 경로에 비해 가장 짧은 방법임을 보여주었습니다. 경로 A의 길이는 왼쪽(마비되지 않은 쪽)에서 채취된 C7 신경의 길이보다 훨씬 짧습니다. 이 발견은 신경 이식 수술을 완료하기 위한 척추 전 경로 선택에 대한 해부학적 기초를 제공했습니다. CC7 수술은 TBI 후 2주에 척추 전 경로를 통해 직접 문합을 시행했습니다. 마비되지 않은 쪽의 경추 7(C7) 신경은 원래의 뇌 연결을 만드는 대신 마비된 쪽으로 직접 전달되었습니다. 그림 3 은 전이된 C7 신경이 성공적으로 재생되었음을 밝힌 전자 현미경 검사 결과를 보여줍니다. 이식된 C7 신경의 수초 두께는 CC7 수술 후 4주부터 점차 증가했으며, CC7 수술 후 8주에 대조군과 거의 비슷했습니다. 그림 4 는 근전도 기록을 사용하여 전달된 C7 신경의 근육 재신경 분포를 식별합니다. C7 신경 문합체의 근위 말단을 전기적으로 자극하여 수술 후 4주에 영향을 받은 앞다리의 여러 근육에서 활동 전위를 안정적으로 유도하여 전자 현미경 결과와 일치했습니다. 그림 5 는 전달된 C7 신경이 콜레라 독소 소단위 B(CTB) 역행성 표지를 통해 건강한 쪽의 척수 C7 분절의 배근 신경절에서 나오는 복부 뿔의 운동 섬유와 감각 섬유를 포함하고 있음을 보여줍니다.
그림 6 은 생쥐 모델이 일방적인 TBI 후 상당한 운동 회복을 보였으며 이는 임상 연구 결과와 일치함을 보여줍니다. CC7 수술이 TBI 후 손상된 운동 기능 회복에 미치는 영향을 검증하기 위해 TBI + Sham 그룹과 Control + Sham 그룹을 설정했습니다. TBI + Sham 그룹과 TBI + CC7 그룹의 마우스는 TBI 손상에 대해 동일한 절차를 동시에 받은 반면, Control + Sham 그룹의 마우스는 가짜 수술만 받았습니다. TBI+CC7 그룹의 마우스는 신경 이식 수술을 받은 반면, TBI+가짜 그룹과 대조군+샴 그룹의 마우스는 양측 경추 7(C7) 신경 절제술을 받았습니다. 실린더 테스트에서 TBI + CC7 그룹은 CC7 수술 후 4주 및 8주 모두에서 TBI 그룹보다 손상된 앞다리의 사용률이 유의하게 높았습니다(p < 0.01). 그리드 워킹 테스트에서 TBI + CC7 그룹은 CC7 수술 후 4주에 TBI 그룹보다 낮은 오류율을 보였습니다. 또한, TBI+CC7 그룹의 오류율은 CC7 수술 후 8주에 TBI 그룹보다 유의하게 낮았다(p < 0.05). 이러한 행동 결과는 CC7 수술이 TBI 마우스에서 영향을 받은 사지의 운동 기능을 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 결과는 척수전 경로를 통해 CC7 수술로 재건된 전달된 C7 신경이 성공적으로 재생되고 손상된 앞다리를 재신경 자극하여 편측 TBI가 있는 성인 마우스의 운동 회복에 기여했음을 시사합니다.
그림 1: 편측성 외상성 뇌 손상의 특성. (A) eCCI에서 마우스 위치를 보여주는 회로도. (B) eCCI의 매개변수 및 손상 범위. (C) 병변 피질을 보여주는 대표적인 관상 절편(TBI 2주 후, 스케일 바 = 500μm). 약어: eCCI = 전기 피질 타박상 충격기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 수술용 기본 다이어그램. (A) TBI 마우스에서 반대측 C7 신경 전달을 수행하기 위한 실험 설계를 보여주는 개략도. 빨간색 원은 외상의 위치를 나타냅니다. 점선 사각형 안의 빨간색 이중 슬래시는 봉합된 신경을 나타냅니다. (B) 단면은 마우스에서 반대측 C7 신경 전달의 세 가지 대체 경로를 보여줍니다. 경로 A, 파란색 선은 전달된 신경의 척추 전 경로를 나타냅니다. 녹색 선인 경로 B는 전달된 신경의 기관전 경로를 나타냅니다. 경로 C, 빨간색 선은 전이된 신경의 피하 터널을 나타냅니다. (C) 그래프는 (B)에서 경로와 채취된 C7 신경의 길이를 보여줍니다. 경로 A의 길이(3.3 ± 0.10mm)는 채취된 C7 신경의 길이(4.05 ± 0.11mm; * p < 0.05, one-way ANOVA, 각 그룹에서 n=20)보다 현저히 낮았다. 경로 C(14.15 ± 0.20 mm)의 길이는 채취된 C7 신경의 길이보다 유의하게 컸습니다(*** p < 0.001, 일원 분산 분석, 각 그룹에서 n = 20). 경로 B의 길이는 4.2 ± 0.08 mm (n = 20)였습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 신경 단면의 전자 현미경 분석. (A,B) 대조군 쥐의 신경 이미지. 눈금 막대 = 5μm(A) 및 1μm(B). (씨,디) 수술 후 한 달 동안 재생된 신경 이미지. 눈금 막대 = 5μm(C) 및 1μm(D). (E, F) 수술 후 5개월 후 어느 시점에서 재생된 신경의 이미지. 눈금 막대 = 5μm(E) 및 1μm(F). (지, H) 수술 후 2개월의 재생 신경 이미지. 눈금 막대 = 5μm(G) 및 1μm(H). A, C, E, G 배율, 2,000배; B, D, F, H의 배율, 15,000배. (I) G-비율(미엘린 수초의 내경과 외경의 비율)은 대조군 샘플에서 4주 샘플보다 낮고 수술 후 6-8주 샘플과 동일합니다(***: p < 0.001; t-test를 사용한 다른 그룹 축삭에서의 비교; n = 각 그룹의 마우스 3개). 약어: CC7= 반대측 경추 제7 신경 전달; CC7-XW = 수술 후 X주. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 반대측 C7 신경 전달 후 근전도 분석은 신경 재생 속도를 나타냅니다. (A) 전자 전달 자극 및 생체 내 근전도 기록을 보여주는 개략도. 자극 강도는 테스트 전체에서 동일했습니다(2mA). 자극 부위는 문합에 근접한 C7 신경입니다. (나, 씨) 수술 후 2주(B)와 4주(C)에 대흉근에서 기록된 활동 전위를 보여주는 사진. (디, 마) EMG는 수술 후 4주(D) 및 8주(E)에 신근 디지토럼에서 기록되었습니다. (F) 3주가 되었을 때, 상완 삼두근에서 CMAP가 나타났다. (G) 4주와 8주에 상완 삼두근의 CMAP가 증가했습니다. (H) 대흉근의 평균 진폭은 4주에 ~0.25mV ± 0.16mV에 도달한 반면 8주에는 0.45mV ± 0.03mV에 도달하여 두 시점 간에 유의한 차이를 보여주었습니다(*** p < 0.001, t-검정, 각 그룹에서 n = 6). (I) 상완 삼두근의 평균 진폭은 4주에 ~0.15mV ± 0.01mV에 도달한 반면 8주에 0.46mV ± 0.02mV에 도달하여 두 시점 간에 유의한 차이를 보여주었습니다(***: p < 0.001, t-검정, 각 그룹에서 n = 6). (J) 신근 디지토럼의 평균 진폭은 4주에 ~0.11mV ± 0.01mV에 도달한 반면 8주에 0.29mV ± 0.02mV에 도달하여 두 시점 간에 유의한 차이를 보여주었습니다(***: p < 0.001, t-검정, 각 그룹에서 n = 6). 약어: EMG = 근전도; CMAP = 복합 근육 활동 전위. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 전이된 C7 신경의 운동 및 감각 뉴런의 CTB 역행성 표지. (A-C) CTB는 CC7 수술 후 4주에 C7 신경 문합술의 원위부에 주입되었습니다. (ᅡ) 감각 뉴런은 DRG에 대해 라벨링되었습니다. (나, 씨) 전달된 C7 신경의 운동 뉴런은 척추 전방 뿔에 대해 라벨링되었습니다. 배율, 20배. 눈금 막대 = 200μm(A, B); 100μm(C)입니다. 약어: CTB = 콜레라 독소 소단위 B; DRG = 등근 신경절; DAPI = 4′,6-디아미디노-2-페닐린돌. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: CC7 수술 후 행동 변화. (A) 이미지는 마우스의 실린더 테스트를 보여줍니다. (B) TBI 마우스에 대한 수술 후 4주 및 8주에 CC7 전달의 효과를 보여주는 요약 그래프(n=6 마우스). 피 = 0.001; 짝을 이루지 않은 t-검정. 손상된 앞다리의 평균 사용률은 Control + Sham 그룹에서 54.17% ± 3.01%인 반면 TBI + Sham 그룹에서는 22.5% ± 2.14%였습니다. CC7 수술 후 4주 시점에서 TBI + CC7 그룹에서 35.83% ± 2.39%로 유의한 차이를 나타냈습니다(편도 ANOVA; p < 0.05, 각 그룹에서 n=6). CC7 이식 후 8주가 지났을 때, 사용률은 대조군+샴군, TBI+샴군, TBI+CC7군에서 각각 53.33% ± 3.80%, 24.17% ± 3.01%, 40.00% ± 1.83%로 유의한 차이를 보였다(*p < 0.05, 편도 ANOVA, 각 그룹에서 n=6). (C) 이미지는 그리드 보행 테스트를 표시합니다. (D) 그래프는 TBI+Sham 그룹에서 손상된 앞다리의 평균 오류율은 85.41% ± 1.59%(n=6)로 TBI + CC7 그룹의 80.17% ± 2.19%(n=6)와 같았고, 둘 다 Control + Sham 그룹(50.99% ± 11.69%)보다 높았다. 수술 후 8주가 지난 시점에서 TBI+CC7군의 오류율은 76.87± 1.07%(n=6)로 TBI+Sham 투여군의 오류율(83.06% ± 1.41%; p < 0.05, 편도 ANOVA, n=6)보다 유의하게 낮았다. 약어: CC7= 반대측 경추 제7 신경 전달; TBI = 외상성 뇌 손상. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
클리닉에서 교차 신경 전달 수술은 상완 신경총 경련 손상 및 뇌졸중 및 TBI와 같은 뇌 손상 후 환자를 치료하는 데 사용되었습니다 7,9,12. 특히 뇌 손상은 간질, 뇌 탈장, 감염 등 여러 합병증을 유발할 수 있는 심각한 신경학적 상태이다13. 편측성 뇌 손상이 있는 모든 환자가 CC7 수술에 적합한 것은 아닙니다. 일반적으로 CC7 수술은 뇌부종의 영향을 최대한 피하기 위해 만성기(손상 후 6개월)의 중추성 편마비 환자에게 시행됩니다. 뇌손상 후 인지장애 및 사지마비 환자는 CC7 수술 치료에서 제외됩니다.
대부분의 연구에서는 반대쪽 C7 신경근을 이식하기 위해 피하 접근법과 귀 또는 척골 신경 이식편 문합술을 사용한다고 보고했습니다14,15. 그러나 이러한 방법으로 신경 재생을 위해서는 6개월이 걸리기 때문에 운동 회복 과정을 방해할 수 있으며 뇌 가소성에도 영향을 미칠 수 있다14. 이전 연구에서는 쥐에서 반대측 C7 전달을 수행했으며 양측 C7 신경은 4개의 가닥 가닥의 interpositional autografted sural nerve를 통해 사용되었습니다. 그러나 생쥐에서 척추 전 경로를 통한 C7 신경 전달에 대한 보고는 없었습니다. 생쥐를 대상으로 변형된 척추 전 경로의 CC7 수술을 시행하고 C7 신경 전달 후 기능 회복 속도를 검증했다. 이 연구에서 척추 전 경로를 통한 반대측 C7 신경 전달은 수술 후 1개월 후 마비된 사지 기능을 개선했으며, 이는 신경 이식 동물 모델의 회복 시간이 짧았음을 반영합니다. 따라서 이 모델은 임상 상황을 정확하게 시뮬레이션하고 추가 실험을 위한 토대를 마련할 수 있습니다.
신경근을 절개하고 위험을 줄이는 방법은 C7 이식에 필수적인 문제입니다. 인간과 달리 쥐의 상완신경총은 쇄골 5,16 아래의 가슴에 있습니다. 그러므로, 접근 전략은 C7 신경과 척추17의 근근을 관찰할 수 있도록 변경되어야 했다. 흉골 절개술은 안전하고 효과적인 수술 방법이며 흉부 수술의 마우스 실험에 일반적으로 적용됩니다18,19. C6 lamina ventrali는 또한 신경 전달에 장애물입니다. 따라서 C7 신경근을 절개하고 C6 라미나 복부를 절단하여 이송 거리를 단축하기 위해 흉골 절개술을 시행했습니다.
척추 전 경로는 신경 이식 수술의 직접 문합 성공률을 크게 높일 수 있지만 모든 마우스를 직접 문합할 수 있는 것은 아닙니다. 이것은 주로 이 쥐의 해부학적 차이 때문입니다. 중간 몸통(C7 신경)은 추간공에 매우 가까운 위치에서 위쪽 또는 아래쪽 몸통과 합쳐집니다. 따라서 채취에 사용할 수 있는 C7 신경의 길이가 충분하지 않습니다. 현재 유일한 접근법은 신경 이식 또는 쥐 교체입니다. 이 모델은 일반적으로 8주 된 마우스(20-25g)에 사용되는데, 이는 마우스가 성숙하고 C7 신경이 다루기에 적절한 크기이기 때문입니다. 이 수술 프로토콜은 어린 마우스에도 적용할 수 있지만, 어린 마우스에서는 수술의 난이도가 크게 증가합니다.
TBI + CC7 그룹의 마우스의 앞다리 운동 기능은 1개월 및 2개월에 유의하게 증가했으며, 이는 전달된 C7 신경이 손상된 앞다리의 회복에 기여했음을 시사합니다. 재수초화는 기능적 신경 회복에 매우 중요합니다. 이전 연구에서는 손상된 신경의 미엘린 수초가 한 달 후에 재생되는 것으로 나타났으며, 이는 이러한 결과와 일치한다20. 여기서 전이된 신경이 점차 성숙해졌고, 이는 행동 검사와 일치했다. 신경 전달 후 기능 회복 속도를 추가로 테스트하기 위해 근전도 검사를 사용했습니다. 그 결과 수술 후 4주 후에 전달된 신경이 영향을 받은 근육을 신경 자극하는 것으로 나타났습니다. 특히, 이 연구는 교차 신경 이식 수술 후 직접 문합으로 신경 재형성 시점을 결정한 최초의 연구입니다.
요약하면, 우리는 생쥐에서 척수전 경로를 통해 양측 상완신경총 신경의 직접 문합을 위한 프로토콜을 확립하기 위해 임상 수술을 시뮬레이션하고 변위된 신경의 기능을 확인했습니다. 생쥐 모델은 중추 및 말초 신경계 손상 후 교차 신경 전달시 재활의 기초가되는 신경 메커니즘을 설명하는 데 기여했습니다.
Disclosures
저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 (82071406, 81902296, 81873766)의 지원을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1 mL syringe | KDL | K-20200808 | |
| 12-0 nylon sutures | Chenghe | 20082 | |
| 5-0 silk braided | MERSILK,ETHICON | QK312 | |
| 75% ethanol | GENERAL-REAGENT | P1762077 | |
| Acupuncture needle | Chengzhen | 190420 | Use for making retractors |
| Automatic clipper | Codos | CHC-332 | |
| C57BL/6N mice | SLAC laboratory (Shanghai) | C57BL/6Slac | |
| Electrocautery | Gutta Cutter | SD-GG01 | |
| Erythromycin ointment | Baiyunshan | H1007 | |
| Iodophor disinfection solution | Lionser | 20190220 | |
| Medical tape | Transpore,3M | 1527C-0 | |
| Micro needle holder | Chenghe | X006-202003 | |
| Micro-forceps | Chenghe | B001-201908 | |
| Micro-scissors | 66VT | 1911-2S276 | |
| Operating microscope | OLYMPUS | SZX7 | |
| Ophthalmic scissor | Chenghe | X041D1251 | |
| Pentobarbital sodium | Sigma | 20170608 | |
| Plastic infusion tube | KDL | C-20191225 | |
| Sterile normal saline | KL | L121021109 | |
| Vascular forceps | Jinzhong | J31020 | |
| Warming pad | RWD | 69027 |
References
- Aszmann, O. C., et al. Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. Lancet. 385 (9983), 2183-2189 (2015).
- Gu, Y., Xu, J., Chen, L., Wang, H., Hu, S. Long term outcome of contralateral C7 transfer: a report of 32 cases. Chinese Medical Journal. 115 (6), 866-868 (2002).
- Gu, Y. D., et al. Long-term functional results of contralateral C7 transfer. Journal of Reconstructive Microsurgery. 14 (1), 57-59 (1998).
- Feng, J. T., et al. Brain functional network abnormality extends beyond the sensorimotor network in brachial plexus injury patients. Brain Imaging and Behavior. 10 (4), 1198-1205 (2016).
- Stephenson, J. B. t, Li, R., Yan, J. G., Hyde, J., Matloub, H. Transhemispheric cortical plasticity following contralateral C7 nerve transfer: a rat functional magnetic resonance imaging survival study. The Journal of Hand Surgery. 38 (3), 478-487 (2013).
- Hübener, M., Bonhoeffer, T. Neuronal plasticity: beyond the critical period. Cell. 159 (4), 727-737 (2014).
- Zheng, M. X., et al. Trial of contralateral seventh cervical nerve transfer for spastic arm paralysis. The New England Journal of Medicine. 378 (1), 22-34 (2018).
- Spinner, R. J., Shin, A. Y., Bishop, A. T. Rewiring to regain function in patients with spastic hemiplegia. The New England Journal of Medicine. 378 (1), 83-84 (2018).
- Hua, X. Y., et al. Contralateral peripheral neurotization for hemiplegic upper extremity after central neurologic injury. Neurosurgery. 76 (2), 187-195 (2015).
- Robertson, C. S., et al. Effect of erythropoietin and transfusion threshold on neurological recovery after traumatic brain injury: a randomized clinical trial. Journal of the American Medical Association. 312 (1), 36-47 (2014).
- Skolnick, B. E., et al. A clinical trial of progesterone for severe traumatic brain injury. The New England Journal of Medicine. 371 (26), 2467-2476 (2014).
- Wang, G. B., et al. Contralateral C7 to C7 nerve root transfer in reconstruction for treatment of total brachial plexus palsy: anatomical basis and preliminary clinical results. Journal of Neurosurgery. Spine. 29 (5), 491-499 (2018).
- Wilson, L., et al. The chronic and evolving neurological consequences of traumatic brain injury. The Lancet. Neurology. 16 (10), 813-825 (2017).
- Hua, X. Y., et al. Enhancement of contralesional motor control promotes locomotor recovery after unilateral brain lesion. Scientific Reports. 6, 18784 (2016).
- Hua, X. Y., et al. Interhemispheric functional reorganization after cross nerve transfer: via cortical or subcortical connectivity. Brain Research. 1471, 93-101 (2012).
- Pan, F., Wei, H. F., Chen, L., Gu, Y. D. Different functional reorganization of motor cortex after transfer of the contralateral C7 to different recipient nerves in young rats with total brachial plexus root avulsion. Neuroscience Letters. 531 (2), 188-192 (2012).
- Yamashita, H., et al. Restoration of contralateral representation in the mouse somatosensory cortex after crossing nerve transfer. PLoS One. 7 (4), 35676 (2012).
- Tavakoli, R., Nemska, S., Jamshidi, P., Gassmann, M., Frossard, N. Technique of minimally invasive transverse aortic constriction in mice for induction of left ventricular hypertrophy. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (127), e56231 (2017).
- Melhem, M., et al. A Hydrogel construct and fibrin-based glue approach to deliver therapeutics in a murine myocardial infarction model. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (100), e52562 (2015).
- Liu, B., et al. Myelin sheath structure and regeneration in peripheral nerve injury repair. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (44), 22347-22352 (2019).
- Overman, J. J., et al. A role for ephrin-A5 in axonal sprouting, recovery, and activity-dependent plasticity after stroke. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (33), 2230-2239 (2012).
- Yoshikawa, A., Nakamachi, T., Shibato, J., Rakwal, R., Shioda, S. Comprehensive analysis of neonatal versus adult unilateral decortication in a mouse model using behavioral, neuroanatomical, and DNA microarray approaches. International Journal of Molecular Sciences. 15 (12), 22492-22517 (2014).
