Fabricação da Interface Nervosa Periférica Regenerativa Composta (C-RPNI) no Rato Adulto
Summary
O manuscrito a seguir descreve um novo método para desenvolver um sistema de feedback neural de loop fechado biológico chamado interface nervosa periférica regenerativa composta (C-RPNI). Esta construção tem a capacidade de se integrar com nervos periféricos para amplificar sinais motores efélios, ao mesmo tempo em que fornece feedback sensorial afável.
Abstract
Os recentes avanços nas neuropróteses permitiram que aqueles que vivem com perda de extremidade reproduzissem para reproduzir muitas funções nativas da extremidade ausente, e isso é frequentemente realizado através da integração com o sistema nervoso periférico. Infelizmente, os métodos atualmente empregados estão frequentemente associados a danos significativos no tecido que previne o uso prolongado. Além disso, esses dispositivos muitas vezes não possuem qualquer grau significativo de feedback sensorial, pois sua construção complexa amortece quaisquer vibrações ou outras sensações que um usuário pode ter previamente dependido ao usar próteses mais simples. A interface nervosa periférica regenerativa composta (C-RPNI) foi desenvolvida como uma construção estável e biológica com a capacidade de amplificar sinais nervosos motores efíferos, proporcionando feedback sensorial afsidiário. O C-RPNI consiste em um segmento de enxerto dérmico e muscular livre protegido em torno de um nervo sensorial misto, com reinnervação preferencial do nervo motor do enxerto muscular e reineza nervosa sensorial do enxerto dérmico. Em ratos, esta construção demonstrou a geração de potenciais de ação muscular composto (CMAPs), amplificando o sinal do nervo alvo do nível de micro-milivolts, com índices de sinal para ruído em média aproximadamente 30-50. A estimulação do componente dérmico da construção gera potenciais compostos de ação nervosa sensorial (CSNAPs) no nervo proximal. Como tal, essa construção tem utilidade futura promissora para a realização da prótese ideal e intuitiva.
Introduction
As amputações de extremidade afetam quase 1 em cada 190 americanos1, e sua prevalência deve aumentar de 1,6 milhão hoje para mais de 3,6 milhões até 20502. Apesar do uso documentado há mais de um milênio, a prótese ideal ainda não foi realizada3. Atualmente, existem próteses complexas capazes de múltiplas manipulações articulares com potencial para reproduzir muitas funções motoras da extremidade nativa4,5. No entanto, esses dispositivos não são considerados intuitivos, pois o movimento protético desejado é tipicamente funcionalmente separado do sinal de controle de entrada. Os usuários normalmente consideram essas “próteses avançadas” difíceis de aprender e, portanto, não são adequadas para uso diário1,6. Além disso, próteses complexas atualmente no mercado não fornecem nenhum grau apreciável de feedback sensorial sutil para controle adequado. A sensação de toque e propriocepção são vitais para a realização de tarefas diárias, e sem essas, atos simples como pegar uma xícara de café se tornam pesados, pois depende inteiramente de pistas visuais7,8,9. Por essas razões, próteses avançadas estão associadas a um grau significativo de fadiga mental e muitas vezes são descritas como pesadas e insatisfatórias5,10,11. Para resolver isso, alguns laboratórios de pesquisa desenvolveram próteses capazes de fornecer um grau limitado de feedback sensorial via interação neural direta12,13,14,15, mas o feedback é muitas vezes limitado a pequenas áreas espalhadas nas mãos e dedos12,13, e as sensações foram notadas como dolorosas e não naturais às vezes15. Muitos desses estudos infelizmente não têm qualquer acompanhamento apreciável a longo prazo e histologia nervosa para delinear os efeitos do tecido local, ao mesmo tempo em que notam a falha na interface na escala de semanas a meses16.
Para essa população, o dispositivo protético ideal forneceria um controle motor de alta fidelidade, juntamente com um feedback somatosensorial significativo do ambiente do indivíduo ao longo de sua vida. Crítico para o design da referida prótese ideal é o desenvolvimento de uma interface estável e confiável que permitiria a transmissão simultânea de informações somatossensoriais afívelmente com sinais motores efferent. As mais promissoras interfaces humanos-máquinas atuais são aquelas que interagem diretamente com o sistema nervoso periférico, e os desenvolvimentos recentes no campo das próteses neurointegradas têm trabalhado para fazer a ponte entre sinais bioelétricos e mecânicos17. As interfaces atuais utilizadas incluem: placas nervosas flexíveis14,15,18, eletrodos de punho extra-neural13,19,20,21,22,23, eletrodos penetrantes de tecido24,25,31,32, e eletrodos intrafasciculares26,27 ,28. No entanto, cada um desses métodos tem demonstrado limitações em relação à especificidade nervosa, lesão tecidual, degeneração axonal, esgotamento da mielina e/ou formação de tecido cicatricial associado à resposta crônica do corpo estranho16,17,18,19. Mais recentemente, foi postulada que um motorista por trás de eventual falha de eletrodo implantado é a diferença significativa no moduli de Young entre material eletrônico e tecido neural nativo. O tecido cerebral está sujeito a micromo significativo diariamente, e tem sido teorizado que o estresse da tesoura induzido por diferenças no moduli de Young causa inflamação e eventual cicatriz permanente30,31,32. Esse efeito é frequentemente agravado nas extremidades, onde os nervos periféricos estão sujeitos tanto ao micromovimento fisiológico quanto ao macromovimento da extremidade intencional. Devido a esse movimento constante, é razoável concluir que a utilização de uma interface nervosa periférica completamente abiótica não é ideal, e uma interface com um componente biológico seria mais adequada.
Para atender a essa necessidade de um componente biológico, nosso laboratório desenvolveu uma interface nervosa biótica denominada Interface Nervosa Periférica Regenerativa (RPNI) para integrar nervos periféricos transseccionados em um membro residual com um dispositivo protético. A fabricação de RPNI envolve implantar cirurgicamente um nervo periférico em um enxerto muscular livre autólogo, que posteriormente revasculariza e reinfeta. Nosso laboratório desenvolveu essa interface nervosa biológica na última década, com sucesso em amplificar e transmitir sinais motores quando combinado com eletrodos implantados em ensaios em animais e humanos, permitindo um controle protético adequado com múltiplos graus de liberdade2,34. Além disso, demonstramos separadamente feedback sensorial através do uso de nervos periféricos embutidos em enxertos dérmicos, denominados Dermal Sensory Interface (DSI)3,35. Em amputações mais distais, usar essas construções simultaneamente é viável, pois os fáscicos motores e sensoriais dentro do nervo periférico alvo podem ser separados cirurgicamente. No entanto, para amputações de nível mais proximômicos, isso não é viável devido à mistura de fibras motoras e sensoriais. A Interface Nervosa Periférica Regenerativa Composta (C-RPNI) foi desenvolvida para amputações mais proximômicas, e envolve implantar um nervo sensorial misto em uma construção composta por enxerto muscular livre fixado a um segmento de enxerto dérmico(Figura 1). Os nervos periféricos demonstram reinnervação preferencial direcionada, assim as fibras sensoriais reinternarão o enxerto dérmico e as fibras motoras, o enxerto muscular. Essa construção tem, assim, a capacidade de amplificar simultaneamente os sinais motores, proporcionando feedback somatosensorial36 (Figura 2),permitindo a realização da prótese ideal, intuitiva e complexa.
Protocol
Representative Results
Discussion
O C-RPNI é uma nova construção que fornece amplificação simultânea dos sinais aférficos motores de um nervo alvo com o fornecimento de feedback sensorial afável. Em particular, o C-RPNI tem utilidade única para aqueles que vivem com amputações proximal, pois seus fascicles motores e sensoriais não podem ser facilmente separados mecanicamente durante a cirurgia. Em vez disso, o C-RPNI utiliza as propriedades inerentes de reineza preferencial do próprio nervo para incentivar a reinneração de fibras sensoriai…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores desejam agradecer jana Moon por assistência técnica especializada. Os estudos apresentados neste artigo foram financiados por meio de uma subvenção R21 (R21NS104584) à SK.
Materials
| #15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
| 4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 6-0 Ethilon Suture | Ethicon | SKU# 697G | P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture) |
| 8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
| Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
| Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
| Micro Motor High Speed Drill with Stone | Master Mechanic | Model 151369 | Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones |
| Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
| Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
| Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
| Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
| Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
| Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
| Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
| Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
| VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
| Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |
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