Summary
We simuleerden klinische chirurgie om een protocol op te stellen van directe anastomose van bilaterale brachiale plexuszenuwen via de prespinale route bij muizen, wat bijdroeg aan de studie van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan revalidatie bij het oversteken van zenuwoverdracht na verwondingen aan het centrale en perifere zenuwstelsel.
Abstract
Kruisende zenuwoverdrachtschirurgie is een krachtige benadering geweest voor het herstellen van gewonde bovenste ledematen bij patiënten met avulsieletsels van de plexus brachialis. Onlangs werd deze operatie creatief toegepast bij de klinische behandeling van hersenletsel en bereikte het een substantiële revalidatie van de verlamde arm. Dit functionele herstel na de operatie suggereert dat perifere sensomotorische interventie diepgaande neuroplasticiteit induceert om het functieverlies na hersenbeschadiging te compenseren; Het onderliggende neurale mechanisme wordt echter slecht begrepen. Daarom is een opkomend klinisch diermodel vereist. Hier simuleerden we klinische chirurgie om een protocol op te stellen voor directe anastomose van bilaterale brachiale plexuszenuwen via de prespinale route bij muizen. Neuroanatomische, elektrofysiologische en gedragsexperimenten hielpen bij het identificeren dat de overgedragen zenuwen van deze muizen met succes de aangetaste voorpoot reïnnerveerden en bijdroegen aan het versnellen van motorisch herstel na hersenletsel. Daarom onthulde het muismodel de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan revalidatie bij het oversteken van zenuwoverdracht na verwondingen aan het centrale en perifere zenuwstelsel.
Introduction
De plexus brachialis (BP) bestaat uit vijf zenuwen met verschillende spinale segmenten (C5-T1) die verantwoordelijk zijn voor gevoel en beweging in de arm, hand en vingers. Na het verlaten van deze vijf BP-zenuwen uit het ruggenmerg, smelten ze samen om drie zenuwstammen te vormen: de superieure (gevormd door de samenvoeging van C5 en C6), mediaal (van C7) en inferieur (takken van C8 en T1). Ernstige verwondingen, vooral als gevolg van verkeersongevallen, leiden vaak tot avulsie van de BP-zenuwwortels, en een dergelijke disfunctie heeft een verwoestend effect op patiënten. Als een krachtige klinische benadering is een kruisende zenuwoverdrachtsoperatie uitgevoerd om avulsieletsels aan de bloeddruk te herstellen door de gewonde zenuwuiteinden opnieuw te verbinden met de gezonde kant van de bloeddruk 2,3. Deze operatie resulteert in functionele verbeteringen van gewonde handen en directe reorganisatie van de sensomotorische cortex in beide hemisferen bij patiënten4. Dierstudies hebben aangetoond dat een drastische reorganisatie in de corticale circuits werd geïnduceerd na het kruisen van zenuwoverdracht5. Omdat perifere sensomotorische modificatie de slapende plasticiteit van de volwassen hersenen kan reactiveren, vertoont kruisende zenuwoverdrachtschirurgie ook een groot potentieel bij het herstellen van hersenletsel.
Onlangs hebben we de mogelijkheid bevestigd van het creatieve gebruik van kruisende zenuwoverdracht als een nieuwe perifere zenuwveranderingsstrategie voor problemen met het centrale zenuwstelsel. Een type kruisende zenuwoverdrachtsoperatie, contralaterale cervicale zevende zenuwoverdracht (CC7), werd toegepast om een significant functioneel herstel van de verlamde arm te bereiken door de C7-zenuw over te brengen van de niet-verlamde kant naar de verlamde kant bij de patiënt na hersenletsel7. Een uniek kenmerk van deze chirurgische ingreep is dat de sensorische en motorische signalen van de verlamde bovenste extremiteit via de verplaatste zenuw "links-rechts crossover" worden gecommuniceerd naar de contralesionale hemisfeer. Met name het functionele herstel veroorzaakt door CC7-chirurgie is niet beperkt tot de functie die wordt geïnnerveerd door de C7-zenuw zelf8. Bovendien kan CC7-chirurgie niet alleen worden gebruikt om kinderen met hersenverlamming te behandelen, maar ook om revalidatie te bereiken bij patiënten van middelbare leeftijd en oudere patiënten met een beroerte. Daarom zijn er voldoende redenen om aan te nemen dat kruisende zenuwoverdracht neuroplasticiteit kan stimuleren om motorisch herstel van hersenbeschadiging te versnellen door het perifere sensomotorische systeem te moduleren.
Hoewel kruisende zenuwoverdrachtchirurgie een substantiële revalidatie heeft bereikt in de klinische behandeling van zowel brachiale plexusletsels (BPI) als hersenletsels, blijven de neurale mechanismen die aan deze operatie ten grondslag liggen slecht begrepen. Het ontbreken van een geschikt diermodel met klinische kenmerken heeft de studie van interne mechanismen beperkt. Traditioneel wordt in de kliniek de C7-zenuwwortel contralateraal van de laesie overgebracht naar de gewonde zijde via een zenuwtransplantaat (bijv. nervus ulnaris, nervus suralis of nervus saphena) en verbonden met de aangetaste plexus brachialis (bijv. nervus medianus, C7-wortel of onderste romp)2,3,9. Een relatief nieuwe modificatie van deze operatie houdt in dat de niet-aangedane C7-wortel rechtstreeks wordt overgebracht naar de aangetaste C7-zenuw via de prespinale route zonder enige opening, wat een optimale oplossing suggereert7. Momenteel vertonen muizen een voordeel in celtypespecificiteit en genetische stamdiversiteit en zijn ze geschikter om neurofysiologische mechanismen te bestuderen. Daarom werd klinische chirurgie gesimuleerd om een protocol op te stellen voor directe anastomose van bilaterale C7-zenuwwortels via de prespinale route bij muizen en bij te dragen aan de studie van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan revalidatie bij kruisende zenuwoverdracht.
Protocol
Alle dierproeven werden goedgekeurd door het Institutional Care of Experimental Animals Committee van de Fudan University en de Chinese Academy of Science in overeenstemming met de richtlijnen van het National Institute of Health. Er werden volwassen mannelijke C57BL/6N-muizen van acht weken oud gebruikt.
1. Preoperatieve installatie
- Zorg voor een geschikte voorraad geautoclaveerde gesteriliseerde chirurgische instrumenten, apparatuur, pijnstillende medicijnen en anesthesiemedicatie.
- Zorg voor voldoende werkruimte op een operatietafel.
- Bereid de operatietafel voor met behulp van een met luiers bedekte, op maat gemaakte chirurgische schuimplaat als bed voor de muis. Bevestig een verwarmingskussen op het schuimbord met medische tape bedekt met steriel gaas.
- Maak retractors door een acupunctuurnaald met een vasculaire pincet te buigen, deze dubbel te vouwen en vervolgens de punt van de gevouwen acupunctuurnaald in een haak te buigen. Bevestig een rubberen strip aan het uiteinde van de acupunctuurnaald en gebruik een punaise om het uiteinde van de rubberen strip aan het schuimbord te bevestigen.
- Kalibreer de stereomicroscoop; Kies een stereomicroscoop met voldoende scherpstelafstand. Bedek de zoom-/focusknoppen met gesteriliseerde aluminiumfolie, zodat de chirurg ze tijdens de operatie kan aanpassen. De gesteriliseerde aluminiumfolie werd op de zoom-/focusknoppen geplaatst, zodat de chirurg het met steriele handschoenen kon gebruiken.
2. Anesthesie en voorbereiding van muizen
- Weeg de muis en verdoof het in overeenstemming met het lichaamsgewicht (isofluraan 3%). Zorg ervoor dat de muis niet reageert wanneer de interdigitale ruimtes van zijn poot worden bekneld om de diepte van de anesthesie te bevestigen. Gedurende de hele procedure moet voldoende diepte van de anesthesie worden aangehouden (1% isofluraan).
- Breng oogzalf bilateraal aan op de ogen om irritatie of uitdroging van het hoornvlies tijdens de operatie te voorkomen.
- Bereid de operatieplaats voor door de vacht in de nek en borst te scheren met een automatische tondeuse. Verwijder en reinig de losse haren.
- Plaats de muis in rugligging op het met steriel gaas bedekte opwarmkussen. Houd de temperatuur van de muis gedurende de hele operatie op 37 °C. Bevestig de muis met medische tape om de voorpoten horizontaal te laten ontvoeren en te voorkomen dat de achterpoten en staart bewegen. Een gesteriliseerd wegwerp chirurgisch laken met de juiste opening werd op de muizen geplaatst.
3. Werkwijze
- Injecteer tramadol als preventieve analgesie (20 mg/kg, i.p.). Markeer de dwarse incisie op de bovenrand van het sleutelbeen. Gebruik drie cycli van afwisselende scrubs met jodofordesinfectieoplossing en ethanol om de operatieplaats te desinfecteren. Bevestig de diepte van de anesthesie met een teenknijp vóór de operatie.
- Werk onder een microscoop en maak met een steriel scalpel een dwarse incisie van 4 mm langs de markering. Vergroot de incisie tijdens de procedure indien nodig.
- Ontleed botweg door de onderhuidse fascia en identificeer de ondergrens van de submandibulaire klier. Trek de submandibulaire klier omhoog om de supraclaviculaire fossa en het borstbeen bloot te leggen.
OPMERKING: Er kunnen bloedvaten van klein kaliber in dit gebied zijn. Elektrocauterisatie kan worden gebruikt om het bloeden te stoppen. - Maak een gedeeltelijke mediane incisie in de sternotomie (~4 mm) door het borstbeen van kop tot staart langs de middellijn in te snijden. Bescherm het borstvlies, het hart en de bloedvaten tijdens sternotomie.
- Identificeer de sternohyoid-spier. Trek voorzichtig aan het borstbeen met twee kleine, op maat gemaakte retractors gemaakt van acupunctuurnaalden en identificeer de sternohyoïde spier, over de luchtpijp en slokdarm. Trek deze spier terug om de halsslagader, de interne halsader, de middenrifzenuw, de nervus vagus, de luchtpijp en de slokdarm bloot te leggen.
NOTITIE: Trek het borstbeen voorzichtig terug om open pneumothorax te voorkomen. Anders dan bij mensen bevindt de slokdarm van de muis zich niet achter de luchtpijp, maar grenst aan de luchtpijp aan de linkerkant. - Identificeer de linker plexus brachialis. Trek aan de laterale rand van de linker interne halsader de fascia en het vetweefsel naar buiten om de plexus brachialis bloot te leggen. Zoek naar de superieure stam, bestaande uit de C5- en C6-zenuwen, die drie takken heeft. Identificeer de middelste stam bestaande uit de C7-zenuw en de inferieure stam bestaande uit de C8- en T1-zenuwen, langs de bovenste romp tot aan de staart van de muis.
OPMERKING: Er zijn longitudinale bloedvaten op het oppervlak van de plexus brachialis. Gebruik elektrocauterisatie om bloedingen te voorkomen. Bescherm bij het scheiden van de linker plexus brachialis het chylouskanaal om een chylous fistel te voorkomen. - Oogst de linker C7-zenuw. Ontleed de voorste divisie en de achterste divisie van de middelste stam (C7-zenuw) distaal tot het niveau van de deling tot de navelstreng onder het sleutelbeen en blokkeer de C7-zenuw met 0,1 ml 2% lidocaïne door lokale infusie in de zenuwstam. Snijd de C7-zenuw door een vannas-veerschaar op de fusiepunten met het laterale koord en het achterste koord. Knip de C7-zenuw af zodat de lengte van elke divisie vergelijkbaar is.
OPMERKING: De voorste en achterste divisies van de C7-zenuw en de voorste en achterste divisies van de bovenste en onderste romp lopen over een lange afstand voordat ze samenvloeien, dus de C7-zenuw moet voldoende worden vrijgemaakt vóór resectie. In feite is de C7-zenuw niet altijd verdeeld in twee divisies; Soms is het verdeeld in drie divisies of in zeldzame gevallen zelfs in vier. - Verwijder de linker C6 lamina ventralis. Bescherm de middenrifzenuw zorgvuldig en verstrengel de voorste scalene-spier ter hoogte van het C6-segment om de C7-zenuwwortel bloot te leggen. Knip kleine takken van de C7-zenuw af die de paraspinale spier innerveren met een micropincet. Trek de C7-zenuw voorzichtig uit en snijd de C6 lamina ventralis voorzichtig weg.
OPMERKING: Er is een benig uitsteeksel tussen de mediale zijde van de linker halsslagader en de laterale zijde van de slokdarm. Dit benige uitsteeksel is de lamina ventralis van de 6ehalswervels . De longitudinale spier van de laterale rand van de C6 lamina ventralis is de voorste scalene spier en de phrenicus zenuw loopt over het oppervlak van de voorste scalene spier. - Oogst de rechter C7-zenuw. Ernstige de voorste scalene-spier aan de rechterkant, vergelijkbaar met de linkerkant, en doorsnijdt de rechter C7-zenuwwortel dicht bij het intervertebrale foramen. Ontleed de rechter C7-zenuw vanaf het delingsniveau.
OPMERKING: Snijd voorzichtig de rechter C7-zenuw door om schade aan de bloedvaten onder de zenuw te voorkomen. - Breng de linker C7-zenuw over.
- Verwijder de musculaire longus colli naast de wervellichamen gedeeltelijk aan beide zijden. Scheid en breid de ruimte tussen de luchtpijp-slokdarm en het wervellichaam botweg uit.
- Stuur een halve vouw 5-0 nylon hechtingen van de rechterkant van het wervellichaam naar de linkerkant via de prespinale route.
- Koppel de linker C7-zenuw aan met een infuusbuis en leid de zenuw via de prespinale route naar de rechterkant.
- Trek de luchtpijp en slokdarm voorzichtig terug en verdeel de voorste en achterste divisies van de linker C7-zenuw naar de rechter C7-zenuwwortel zonder spanning met behulp van 12-0 nylon hechtingen. Hecht het epineurium rond de zenuwen met 4-5 hechtingen om de zenuwen sterk te coapteren.
OPMERKING: Het is van cruciaal belang om een plastic infuusbuis van de juiste dikte te kiezen. Een te dunne buis kan de zenuw beschadigen en een te dikke buis kan de luchtpijp en slokdarm beschadigen. Bovendien is de ruimte tussen de luchtpijp-slokdarm en het wervellichaam een "V"-vormige ruimte, en het afsnijden van een deel van de gespierde longus colli kan de overdrachtsroute verkorten.
4. Wondsluiting
- Spoel de wond met steriele normale zoutoplossing en droog deze af met steriel gaas.
- Hecht het borstbeen en sluit de huid met 5-0 monofilament hechtingen.
5. Postoperatieve zorg
- Wacht tot de muis uit de narcose ontwaakt. Breng de muis over naar een schone kooi zonder bodembedekking, maar verwarmd met een verwarmende deken. Observeer de muis totdat deze ambulant is. Gebruik tramadol (20 mg/kg, i.p.) als postoperatieve analgesie.
- Plaats de muizen in een herstelkooi en houd deze in de gaten tot herstel. Herstel het water en het dieet van de muizen na de operatie. Controleer de muizen elke dag postoperatief op tekenen van verslechtering of infectie, waaronder ondervoeding, gebogen houding en gegolfde vacht. Twee weken na de operatie moet de hechting worden verwijderd.
OPMERKING: Breng erytromycinezalf elke dag gedurende drie opeenvolgende dagen aan op het wondoppervlak. - Als er complicaties worden waargenomen, zoals wondoedeem, moet dat onmiddellijk worden opgelost.
6. Gedragsanalyse
OPMERKING: Alle gedragstesten en -analyses werden uitgevoerd door een waarnemer die blind was voor de experimentele groepen.
- Cilinder test
OPMERKING: De cilindertest evalueert het gebruik van de voorpoten tijdens spontane verticale verkenning in een cilinder 4 en 8 weken na de operatie21.- Plaats de muizen in een doorzichtige cilinder (diameter 9 cm, hoogte 15 cm) op een verhoogd frame.
- Om observatie en registratie te vergemakkelijken, bevestigt u een spiegel in een hoek van 45° onder de cilinder.
- Registreer de spontane opfok van elke muis die gedurende 10 minuten met behulp van de spiegel is waargenomen.
- Bepaal handmatig de tijdsduur gedurende welke (i) rechterpoot, (ii) linkerpoot of (iii) beide poten contact maakten met de glazen wanden. Tel in totaal 20 bewegingen tijdens elke sessie. Sluit muizen die tijdens de test niet actief zijn uit van de analyse.
- Scoor de testprestaties als:
- Grid-walk-test
OPMERKING: De grid-walk-test beoordeelt de nauwkeurige plaatsing van de voorpoten op de sporten van een raster tijdens spontane verkenning 4 en 8 weken na de operatie. 22. okt.- Plaats de muizen op een rooster (20 cm x 24 cm) met vierkante gaten van 25 mm en laat ze 10 minuten vrij verkennen terwijl ze hun optreden opnemen met een videocamera.
- Scoor een voetslip in het geval van een van de volgende gevallen:
- Zoek naar gevallen waarin de poot een sport volledig mist (in dat geval valt de ledemaat tussen de sporten en verliest het dier zijn evenwicht).
- Zoek naar gevallen waarin de poot correct op een sport is geplaatst, maar eraf glijdt terwijl hij het lichaamsgewicht draagt.
- Druk het testresultaat uit als voetslip van rechter voorpoot / totale voetslip. Hoewel noch de cilindertest, noch de grid-walk-test training vereist, moet u basisscores behalen door elk dier één keer vóór de operatie te testen.
Representative Results
Eenzijdig hersenletsel veroorzaakt vaak permanente disfunctie van de contralaterale ledemaat als gevolg van de beperkingen van compenserende neurale plasticiteit bij volwassenen 10,11. Eerder meldden we dat CC7-chirurgie kan worden gebruikt om hemiplegische bovenste ledematen te behandelen bij volwassen patiënten nahersenletsel7. Om de effectiviteit van het protocol voor directe anastomose bilaterale C7-zenuwen via de prespinale route te evalueren, voerden we de kruisende zenuwoverdrachtsoperatie uit bij muizen na unilateraal traumatisch hersenletsel (TBI). Figuur 1 beschrijft de TBI-procedures en verifieert het schadebereik en het effect. Eerst werd een elektrische corticale kneuzingsimpactor (eCCI) gebruikt om de hersenschors van de linkerhersenhelft te beschadigen (anteroposterior = +1,0 mm tot -2,0 mm, mediolateraal = 0,5 mm tot 3,5 mm) bij volwassen muizen om te resulteren in eenzijdig hersenletsel. Na 2 weken bevestigden anatomische structuren dat dit TBI-protocol bijna de sensomotorische cortex, een belangrijke locatie voor het initiëren van bewegingen, vernietigde. Deze muizen met unilaterale TBI vertoonden significante motorische defecten van de rechter voorpoot.
Figuur 2 beschrijft de CC7-procedures. Het paddiagram van CC7-chirurgie onthulde dat pad A, dat de prespinale route vertegenwoordigt, de kortste benadering was in vergelijking met de andere. De lengte van pad A is zelfs lager dan de lengte van de geoogste C7-zenuw aan de linkerkant (niet-verlamde kant). Deze bevinding vormde de anatomische basis voor de keuze van de prespinale route om een zenuwoverdrachtsoperatie te voltooien. CC7-chirurgie werd uitgevoerd in directe anastomose via de prespinale route twee weken na TBI. De cervicale 7 (C7) zenuw aan de niet-verlamde kant werd direct overgebracht naar de verlamde kant in plaats van de oorspronkelijke hersenverbindingen te maken. Figuur 3 toont de resultaten van elektronenmicroscopie waaruit bleek dat de overgebrachte C7-zenuw met succes was geregenereerd. De dikte van de myelineschede van de verplaatste C7-zenuw nam geleidelijk toe, beginnend 4 weken na de CC7-operatie, en was bijna vergelijkbaar met die in de controlegroep 8 weken na de CC7-operatie. Figuur 4 identificeert spierreïnnervatie van de overgedragen C7-zenuw met behulp van elektromyografische opnames. Elektrisch stimuleren van het proximale uiteinde van C7-zenuwanastomose induceerde stabiel actiepotentialen in meerdere spieren van de aangedane voorpoot 4 weken postoperatief, in overeenstemming met de resultaten van de elektronenmicroscopie. Figuur 5 laat zien dat de overgedragen C7-zenuw motorvezels bevat van de ventrale hoorn en sensorische vezels van de dorsale wortelganglia van het C7-segment van het ruggenmerg aan de gezonde kant door middel van choleratoxine subeenheid B (CTB) retrograde labeling.
Figuur 6 laat zien dat het muismodel ook significant motorisch herstel vertoonde na unilaterale TBI, in overeenstemming met de resultaten van de klinische onderzoeken. Om het effect van CC7-chirurgie op het herstel van de gewonde motorische functie na TBI te verifiëren, werden een TBI + Sham-groep en een Control + Sham-groep opgericht. De muizen in de TBI + Sham-groep en de TBI + CC7-groep kregen tegelijkertijd dezelfde procedures voor TBI-letsel, terwijl de muizen in de Control + Sham-groep alleen een schijnoperatie kregen. Terwijl de muizen in de TBI + CC7-groep een zenuwoverdrachtsoperatie ondergingen, ondergingen muizen in de TBI + schijngroep en de Control + Sham-groep bilaterale cervicale 7 (C7) zenuwresectie. In cilindertests vertoonde de TBI + CC7-groep een significant hoger gebruikspercentage van de aangetaste voorpoot dan de TBI-groep op zowel 4 als 8 weken na de CC7-operatie (p < 0,01). In grid-walking-tests vertoonde de TBI + CC7-groep een lager foutenpercentage dan de TBI-groep 4 weken na de CC7-operatie. Bovendien was het foutenpercentage van de TBI + CC7-groep significant lager dan dat in de TBI-groep 8 weken na de CC7-operatie (p < 0,05). Deze gedragsresultaten toonden aan dat CC7-chirurgie de motorische functie van het aangedane ledemaat bij TBI-muizen zou kunnen verbeteren. Samen suggereren deze resultaten dat de overgedragen C7-zenuw die via de prespinale route door CC7-chirurgie is herbouwd, met succes werd geregenereerd en de aangetaste voorpoot opnieuw werd geïnnerveerd, wat bijdroeg aan motorisch herstel bij volwassen muizen met unilaterale TBI.
Figuur 1: Karakterisering van unilateraal traumatisch hersenletsel. (A) Schema met de positie van de muis in eCCI. (B) De parameters en het schadebereik van eCCI. (C) Representatieve coronale doorsnede met de laesie cortex (2 weken na TBI, schaalbalk = 500 μm). Afkorting: eCCI = electric cortical contusion impactor. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Het chirurgisch elementair diagram. (A) Schematisch diagram met de experimentele opzet voor het uitvoeren van de contralaterale C7-zenuwoverdracht bij TBI-muizen. De rode cirkel geeft de positie van het trauma aan. De rode dubbele schuine streep in de gestippelde rechthoek toont de gehechte zenuw. (B) Een dwarsdoorsnede toont drie alternatieve routes van de contralaterale C7-zenuwoverdracht bij de muizen. Pad A, de blauwe lijn geeft de prespinale route van de overgebrachte zenuw weer; Pad B, de groene lijn, geeft de pretracheale route van de overgebrachte zenuw weer; Pad C, de rode lijn, toont de onderhuidse tunnel van de verplaatste zenuw. (C) De grafiek toont de lengte van de routes en de geoogste C7-zenuw in (B). De lengte van pad A (3,3 ± 0,10 mm) was significant lager dan de lengte van de geoogste C7-zenuw (4,05 ± 0,11 mm; * p < 0,05, eenrichtings-ANOVA, n = 20 in elke groep). De lengte van pad C (14,15 ± 0,20 mm) was significant groter dan die van de geoogste C7-zenuw (*** p < 0,001, eenrichtings-ANOVA, n = 20 in elke groep). De lengte van pad B was 4,2 ± 0,08 mm (n=20). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: De elektronenmicroscopie-analyse van een dwarsdoorsnede van de zenuw. (A,B) Beelden van de zenuw bij controlemuizen. Schaalbalk = 5 μm (A) en 1 μm (B). (C,D) Beelden van de geregenereerde zenuw een maand na de operatie. Schaalbalk = 5 μm (C) en 1 μm (D). (E, F) Beelden van de geregenereerde zenuw op een bepaald moment vijf maanden na de operatie. Schaalbalk = 5 μm (E) en 1 μm (F). (G, H) Afbeelding van de geregenereerde zenuw twee maanden na de operatie. Schaalbalk = 5 μm (G) en 1 μm (H). Vergroting van A, C, E en G, 2.000x; vergroting van B, D, F en H, 15.000x. (I) De G-ratio (de verhouding tussen de binnen- en de buitendiameter van de myelineschede) is lager in monsters van de controlegroep dan in monsters van 4 weken en gelijk aan monsters 6-8 weken na de operatie (***: p < 0,001; vergelijking bij verschillende groepsaxonen met t-toets; n = 3 muizen in elke groep). Afkortingen: CC7= contralaterale cervicale zevende zenuwoverdracht; CC7-XW = X weken na de operatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Elektromyografie-analyse na de contralaterale C7-zenuwoverdracht geeft de snelheid van zenuwregeneratie aan. (A) Schematisch diagram met de elektronische overdrachtsstimulatie en in-vivo-elektromyografie-opname. De stimulatie-intensiteit was gedurende de hele test hetzelfde (2 mA). De stimulatieplaats is de C7-zenuw proximaal van de anastomose. (B, C) Foto's van het actiepotentiaal geregistreerd bij de pectoralis major twee weken (B) en vier weken (C) na de operatie. (D, E) EMG werd 4 weken (D) en 8 weken (E) na de operatie geregistreerd in extensor digitorum (E). (F) Na drie weken verschenen CMAP's in de triceps brachii. (G) Na vier en acht weken namen de CMAP's van triceps brachii toe. (H) De gemiddelde amplitude van pectoralis major bereikte ~0,25 mV ± 0,16 mV na 4 weken versus 0,45 mV ± 0,03 mV na 8 weken, wat een significant verschil tussen de twee tijdstippen aantoont (*** p < 0,001, t-test, n = 6 in elke groep). (I) De gemiddelde amplitude van triceps brachii bereikte ~0,15 mV ± 0,01 mV na 4 weken versus 0,46 mV ± 0,02 mV na 8 weken, wat een significant verschil tussen de twee tijdstippen laat zien (***: p < 0,001, t-test, n = 6 in elke groep). (J) De gemiddelde amplitude van extensor digitorum bereikte ~0,11 mV ± 0,01 mV na 4 weken versus 0,29 mV ± 0,02 mV na 8 weken, wat een significant verschil tussen de twee tijdstippen laat zien (***: p < 0,001, t-test, n = 6 in elke groep). Afkortingen: EMG = elektromyografie; CMAP = samengesteld spieractiepotentiaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: CTB retrograde labeling van motorische en sensorische neuronen van de overgebrachte C7-zenuw. (A-C) CTB werd geïnjecteerd aan het distale uiteinde van de C7-zenuwanastomose 4 weken na de CC7-operatie. (EEN) De sensorische neuronen werden gelabeld voor de DRG. (B, C) De motorneuronen van de overgebrachte C7-zenuw werden gelabeld voor de voorste hoorn van de wervelkolom. Vergroting, 20x. Schaalbalk = 200 μm (A, B); 100 μm (C). Afkortingen: CTB = choleratoxine subeenheid B; DRG = ganglion van de dorsale wortel; DAPI = 4′,6-diamidino-2-fenylindol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Gedragsveranderingen na een CC7-operatie. (A) De beelden tonen de cilindertest van de muizen. (B) Samenvattende grafiek met het effect van CC7-overdracht 4 weken en 8 weken na de operatie op de TBI-muizen (n = 6 muizen). p = 0,001; Ongepaarde T-toets. Het gemiddelde gebruik van de aangetaste voorpoot was 54,17% ± 3,01% in de Control + Sham-groep versus 22,5% ± 2,14% in de TBI + Sham-groep; 35,83% ± 2,39% in TBI + CC7-groep 4 weken na CC7-operatie, wat wijst op een significant verschil (enkele reis ANOVA; p < 0,05, n = 6 in elke groep). 8 weken na de overdracht van CC7 was het gebruik respectievelijk 53,33% ± 3,80%, 24,17% ± 3,01% en 40,00% ± 1,83% in de Control + Sham-groep, de TBI + Sham-groep en de TBI + CC7-groep, een significant verschil (*p < 0,05, enkele reis ANOVA, n = 6 in elke groep). (C) De afbeeldingen tonen de rasterlooptest. (D) De grafiek laat zien dat de gemiddelde foutenpercentages van de aangetaste voorpoot in de TBI + Sham-groep 85,41% ± 1,59% (n = 6) waren, wat overeenkomt met de TBI + CC7-groep 80,17% ± 2,19% (n = 6), en beide waren hoger dan de Control + Sham-groep (50,99% ± 11,69%). 8 weken na de operatie was het foutenpercentage in de TBI + CC7-groep 76,87 ± 1,07% (n = 6), wat significant lager is dan dat van de TBI + Sham-groep (83,06% ± 1,41%; p < 0,05, eenrichtings-ANOVA, n = 6 in elke groep). Afkortingen: CC7= contralaterale cervicale zevende zenuwoverdracht; TBI = traumatisch hersenletsel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussion
In de kliniek is kruisende zenuwoverdrachtschirurgie gebruikt voor de behandeling van patiënten met avulsieletsel van de plexus brachialis en na hersenbeschadiging, zoals beroerte en TBI 7,9,12. Met name hersenbeschadiging is een ernstige neurologische aandoening die kan leiden tot verschillende complicaties, waaronder epilepsie, hersenhernia en infectie13. Niet alle patiënten met eenzijdig hersenletsel zijn geschikt voor een CC7-operatie. Over het algemeen is CC7-chirurgie uitgevoerd bij patiënten met centrale hemiplegie in het chronische stadium (6 maanden na het letsel) om de invloed van hersenoedeem zoveel mogelijk te vermijden. Patiënten met cognitieve stoornissen en quadriplegie na hersenletsel zijn uitgesloten van behandeling voor CC7-chirurgie.
De meeste onderzoeken hebben melding gemaakt van het gebruik van een subcutane benadering en anastomose van de surale of ulnaire zenuwtransplantaat om de contralaterale C7-zenuwwortel over te brengen14,15. Zenuwregeneratie door dergelijke methoden duurt echter zes maanden, wat het motorische herstelproces kan belemmeren en mogelijk zelfs de plasticiteit van de hersenen kan beïnvloeden14. In eerdere studies werd contralaterale C7-overdracht uitgevoerd bij ratten en werd de bilaterale C7-zenuw gebruikt via 4 strengen van de interpositionele autogetransplanteerde surale zenuw. Er zijn echter geen meldingen geweest van overdracht van de C7-zenuw via de prespinale route bij muizen. We voerden CC7-chirurgie uit van de gemodificeerde prespinale route bij muizen en verifieerden de snelheid van functioneel herstel na overdracht van de C7-zenuw. In deze studie verbeterde contralaterale C7-zenuwoverdracht via de prespinale route de functie van verlamde ledematen een maand na de operatie, wat een kortere hersteltijd van het zenuwgetransplanteerde diermodel weerspiegelt. Daarom kon dit model klinische situaties nauwkeurig simuleren en de basis leggen voor verdere experimenten.
Hoe de zenuwwortel te ontleden en het risico te verminderen, zijn essentiële kwesties voor C7-overdracht. Anders dan bij mensen bevindt de plexus brachialis van de muis zich in de borstkas onder het sleutelbeen 5,16. Daarom moest de toegangsstrategie worden gewijzigd om de observatie van de wortel van de C7-zenuw en de wervelkolom mogelijk te maken17. Sternotomie is een veilige en effectieve operatieve benadering en wordt vaak toegepast in muizenexperimenten bij cardiothoracale chirurgie18,19. De C6 lamina ventrali is ook een obstakel voor het overbrengen van zenuwen. Daarom werd een sternotomie-operatie uitgevoerd om de C7-zenuwwortel te ontleden en de C6-lamina ventrali door te snijden om de overdrachtsafstand te verkorten.
Hoewel de prespinale route het slagingspercentage van directe anastomose van zenuwoverdrachtschirurgie aanzienlijk kan verhogen, kunnen niet alle muizen direct worden geanastomoseerd. Dit komt vooral door de anatomische verschillen bij deze muizen. De middelste romp (nervus C7) versmelt met de bovenste of onderste romp op een locatie zeer dicht bij het intervertebrale foramen. De lengte van de C7-zenuwen die beschikbaar zijn voor het oogsten is dus onvoldoende. Momenteel is de enige aanpak zenuwtransplantatie of vervanging van muizen. Dit model wordt meestal gebruikt bij muizen van 8 weken oud (20-25 g), omdat de muizen volwassen zijn en de C7-zenuwen voldoende groot zijn om te worden behandeld. Hoewel dit chirurgische protocol ook van toepassing is op jonge muizen, zal de moeilijkheidsgraad van de operatie aanzienlijk toenemen bij jongere muizen.
De motorische functie van de voorpoten van muizen in de TBI + CC7-groep was significant verhoogd na één maand en twee maanden, wat suggereert dat de overgedragen C7-zenuw bijdroeg aan het herstel van de aangetaste voorpoot. Remyelinisatie is van cruciaal belang voor functioneel neuraal herstel. Een eerdere studie toonde aan dat de myelineschedes van gewonde zenuwen na een maand regenereerden, in overeenstemming met deze resultaten20. Hier rijpte de overgedragen zenuw geleidelijk, wat consistent was met de gedragstest. Elektromyografie werd gebruikt om de snelheid van functioneel herstel na zenuwoverdracht verder te testen. De resultaten toonden aan dat de verplaatste zenuw de aangetaste spier 4 weken na de operatie innerveerde. Deze studie is met name de eerste die het tijdstip van reïnnervatie bepaalt met een directe anastomose na het kruisen van zenuwoverdrachtsoperaties.
Samenvattend hebben we klinische chirurgie gesimuleerd om een protocol op te stellen voor directe anastomose van bilaterale plexuszenuwen brachialis via de prespinale route bij muizen en de functie van de verplaatste zenuw bevestigd. Het muismodel droeg bij aan de opheldering van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan revalidatie bij het oversteken van zenuwoverdracht na verwondingen aan het centrale en perifere zenuwstelsel.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (82071406, 81902296 en 81873766).
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).
