Fabrikasjon av komposittregenerativt perifert nervegrensesnitt (C-RPNI) hos voksenrotte

Summary

Følgende manuskript beskriver en ny metode for å utvikle et biologisk, lukket loop neural feedback system kalt kompositt regenerative perifere nervegrensesnitt (C-RPNI). Denne konstruksjonen har evnen til å integrere med perifere nerver for å forsterke sprudlende motorsignaler samtidig som den gir afferent sensorisk tilbakemelding.

Abstract

Nylige fremskritt i nevroproteser har gjort det mulig for de som lever med ekstremitetstap å reprodusere mange funksjoner som er innfødt til den fraværende ekstremiteten, og dette oppnås ofte gjennom integrasjon med det perifere nervesystemet. Dessverre er metoder som brukes i dag ofte forbundet med betydelig vevsskade som forhindrer langvarig bruk. I tillegg mangler disse enhetene ofte noen meningsfull grad av sensorisk tilbakemelding, da deres komplekse konstruksjon demper eventuelle vibrasjoner eller andre opplevelser en bruker tidligere kan ha vært avhengig av når de bruker enklere proteser. Det sammensatte regenerative perifere nervegrensesnittet (C-RPNI) ble utviklet som en stabil, biologisk konstruksjon med evnen til å forsterke sprudlende motornervesignaler samtidig som det gir samtidig afferent sensorisk tilbakemelding. C-RPNI består av et segment av fri dermal og muskeltransplantat sikret rundt et mål blandet sensorisk nerve, med fortrinnsrett motor nerve reinnervation av muskelgraftet og sensorisk nerve reinnervation av dermal graft. Hos rotter har denne konstruksjonen vist generering av sammensatte muskelhandlingspotensialer (CMAP), som forsterker målnervens signal fra mikro- til milli-volts nivå, med signal til støyforhold i snitt ca. 30-50. Stimulering av dermal komponenten av konstruksjonen genererer sammensatte sensoriske nerve handling potensialer (CSNAPs) på proksimale nerve. Som sådan har denne konstruksjonen lovende fremtidig verktøy mot realisering av den ideelle, intuitive protesen.

Introduction

Ekstremitetamputasjoner påvirker nesten 1 av 190 amerikanere¹, og deres utbredelse er anslått å øke fra 1,6 millioner i dag til over 3,6 millioner innen 2050². Til tross for dokumentert bruk i over et årtusen, har den ideelle protesen ennå ikke blitt realisert³. For tiden finnes det komplekse proteser som er i stand til flere felles manipulasjoner med potensial til å reprodusere mange motorfunksjoner av den opprinnelige ekstremiteten^4,5. Disse enhetene anses imidlertid ikke som intuitive, da ønsket protesebevegelse vanligvis er funksjonelt atskilt fra inngangskontrollsignalet. Brukere vanligvis vurdere disse “avanserte proteser” vanskelig å lære og derfor ikke egnet for daglig bruk^1,6. I tillegg gir komplekse proteser som for tiden er på markedet, ingen merkbar grad av subtil sensorisk tilbakemelding for tilstrekkelig kontroll. Følelsen av berøring og proprioception er avgjørende for å utføre daglige oppgaver, og uten disse blir enkle handlinger som å plukke opp en kopp kaffe tyngende da den er helt avhengig av visuelle signaler^7,8,9. Av disse grunnene er avanserte proteser forbundet med en betydelig grad av mental tretthet og blir ofte beskrevet som tyngende og utilfredsstillende^5,10,11. For å løse dette har noen forskningslaboratorier utviklet proteser som er i stand til å gi en begrenset grad av sensorisk tilbakemelding via direkte nevrale interaksjon^12,13,14,15, men tilbakemeldinger er ofte begrenset til små, spredte områder på hender og fingre^12,13, og opplevelser ble notert å være smertefulle og unaturlige til tider¹⁵. Mange av disse studiene mangler dessverre noen merkbar langsiktig oppfølging og nervehistologi for å avgrense lokale vevseffekter, mens de merker grensesnittsvikt på skalaen av uker til måneder¹⁶.

For denne populasjonen ville den ideelle proteseenheten gi høy kvalitet motorkontroll sammen med meningsfulle somatosensoriske tilbakemeldinger fra den enkeltes miljø gjennom hele levetiden. Kritisk til utformingen av nevnte ideell protese er utviklingen av et stabilt, pålitelig grensesnitt som ville tillate samtidig overføring av afferent somatosensorisk informasjon med sprudlende motorsignaler. Den mest lovende av dagens menneskelige maskin grensesnitt er de som samhandler med det perifere nervesystemet direkte, og den siste utviklingen innen nevrointegrerte proteser har jobbet mot å bygge bro mellom bioelektriske og mekaniske signaler¹⁷. Nåværende grensesnitt benyttes inkluderer: fleksible nerveplater^14,15,18, ekstra-neural mansjett elektroder^13,19,20^,21,22,23, vev penetrerende elektroder^24,25,31,32, og intrafascicular elektroder^{26,27 ,28}. Imidlertid har hver av disse metodene vist begrensninger med hensyn til nervespesifisitet, vevsskade, aksonal degenerasjon, myelinuttømming og / eller arrvevdannelse forbundet med kronisk indwelling fremmedlegemer^{respons 16,17,18,19}. Mer nylig har det blitt postulert at en driver bak eventuell implantert elektrodesvikt er den betydelige forskjellen i Youngs moduli mellom elektronisk materiale og innfødt nevrale vev. Hjernevev er utsatt for betydelig mikrooppbevegelse daglig, og det har blitt teoretisert at skjærstresset forårsaket av forskjeller i Youngs moduli forårsaker betennelse og eventuell permanent arrdannelse^30,31,32. Denne effekten er ofte forsterket i ekstremiteter, hvor perifere nerver er gjenstand for både fysiologisk mikromotion og forsettlig ekstremitet makromotion. På grunn av denne konstante bevegelsen er det rimelig å konkludere med at utnyttelse av et helt abiotisk perifert nervegrensesnitt ikke er ideelt, og et grensesnitt med en biologisk komponent ville være mer egnet.

For å løse dette behovet for en biologisk komponent utviklet laboratoriet et biotisk nervegrensesnitt kalt Regenerative Peripheral Nerve Interface (RPNI) for å integrere transponerte perifere nerver i et gjenværende lem med en proteseenhet. RPNI fabrikasjon innebærer kirurgisk implantering av en perifer nerve i en autolog fri muskeltransplantat, som senere revaskumerer og reinnervates. Vårt laboratorium har utviklet dette biologiske nervegrensesnittet det siste tiåret, med suksess i å forsterke og overføre motorsignaler kombinert med implanterte elektroder i både dyre- og menneskelige forsøk, noe som åpner for egnet protesekontroll med flere frihetsgrader^2,34. I tillegg har vi separat vist sensorisk tilbakemelding gjennom bruk av perifere nerver innebygd i dermal grafts, kalt Dermal Sensorisk Interface (DSI)^3,35. I mer distale amputasjoner er bruk av disse konstruksjonene samtidig mulig, da motor- og sensoriske fascikler i målets perifere nerve kan skilles kirurgisk. Men for mer proksimale amputasjoner er dette ikke mulig på grunn av innløsning av motor- og sensoriske fibre. Kompositt regenerative peripheral nerve interface (C-RPNI) ble utviklet for mer proksimale amputasjoner, og det innebærer å implantere en blandet sensorisk nerve i en konstruksjon bestående av gratis muskeltransplantat sikret til et segment av dermal graft (Figur 1). Perifere nerver viser fortrinnsrett målrettet reinnervation, og dermed sensoriske fibre vil re-innervate dermal graft og motorfibre, muskeltransplantatet. Denne konstruksjonen har dermed muligheten til å samtidig forsterke motorsignaler samtidig som den gir somatosensorisk tilbakemelding³⁶ (Figur 2),noe som gir mulighet for realisering av den ideelle, intuitive, komplekse protesen.

Protocol

Alle dyreforsøk utføres under godkjenning av University of Michigan’s Committee on the Use and Care of Animals. MERK: Donorrotter får fri tilgang til mat og vann før hud- og muskeldonasjonsprosedyrer. Eutanasi utføres under dyp anestesi etterfulgt av intra-hjerte kaliumklorid injeksjon med en sekundær metode for bilateral pneumothorax. Enhver stamme av rotte kan teoretisk brukes med dette eksperimentet; Laboratoriet vårt har imidlertid oppnådd konsistente resultater hos både mannlige …

Representative Results

Konstruere fabrikasjon anses mislykket hvis rotter utvikler en infeksjon eller ikke overlever kirurgisk anestesi. Tidligere forskning har indikert at disse konstruksjonene krever ca tre måneder å revaskularisere og reinnervate2,3,17,36. Etter tre måneders gjenopprettingsperiode kan konstruksjonstesting forfølges for å undersøke levedyktighet. Kirurgisk eks…

Discussion

C-RPNI er en ny konstruksjon som gir samtidig forsterkning av en målnerve motorefferent signaler med levering av afferent sensorisk tilbakemelding. Spesielt har C-RPNI unikt verktøy for de som lever med proksimale amputasjoner som deres motor og sensoriske fascicles kan ikke lett skilles mekanisk under operasjonen. I stedet benytter C-RPNI de iboende fortrinnsrett reinnervation egenskapene til nerven selv for å oppmuntre sensorisk fiber reinnervation å dermal sensoriske endeorganer og motorfibre til nevromuskulære v…

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