Summary
Vi simulerte klinisk kirurgi for å etablere en protokoll med direkte anastomose av bilaterale plexusnerver i brachialis via prespinalruten hos mus, noe som bidro til studiet av nevrale mekanismer som lå til grunn for rehabilitering ved kryssing av nerveoverføring etter skader i det sentrale og perifere nervesystemet.
Abstract
Kryssende nerveoverføringskirurgi har vært en kraftig tilnærming for å reparere skadede øvre ekstremiteter hos pasienter med brachial plexus avulsjonsskader. Nylig ble denne operasjonen kreativt brukt i klinisk behandling av hjerneskade og oppnådde betydelig rehabilitering av den lamme armen. Denne funksjonelle gjenopprettingen etter operasjonen antyder at perifer sensorimotorisk inngrep induserer dyp nevroplastisitet for å kompensere for tap av funksjon etter hjerneskade; Imidlertid er den underliggende nevrale mekanismen dårlig forstått. Derfor er det nødvendig med en fremvoksende klinisk dyremodell. Her simulerte vi klinisk kirurgi for å etablere en protokoll med direkte anastomose av bilaterale plexusnerver i brachialis via prespinalruten hos mus. Neuroanatomiske, elektrofysiologiske og atferdseksperimenter bidro til å identifisere at de overførte nerver av disse musene vellykket reinnerverterte den nedsatte forbenet og bidro til å akselerere motorisk gjenoppretting etter hjerneskade. Derfor avslørte musemodellen de nevrale mekanismene som ligger til grunn for rehabilitering ved kryssing av nerveoverføring etter skader i det sentrale og perifere nervesystemet.
Introduction
Brachial plexus (BP) består av fem nerver med forskjellige spinalsegmenter (C5-T1) som er ansvarlige for følelse og bevegelse i arm, hånd og fingre. Etter utgang av disse fem BP-nervene fra ryggmargen, smelter de sammen for å danne tre nervestammer: den overlegne (dannet ved sammenslåing av C5 og C6), medial (fra C7) og dårligere (grener av C8 og T1). Alvorlige skader, spesielt på grunn av trafikkulykker, fører ofte til avulsjon av BP-nerverøttene, og slik dysfunksjon har en ødeleggende effekt på pasienter1. Som en kraftig klinisk tilnærming har kryssende nerveoverføringskirurgi blitt utført for å reparere avulsjonsskader på BP ved å koble de skadede nerveendene til den sunne siden av BP 2,3. Denne operasjonen resulterer i funksjonelle forbedringer av skadede hender og direkte omorganisering av sensorimotorisk cortex i begge hemisfærer hos pasienter4. Dyrestudier har vist at drastisk omorganisering i kortikale kretser ble indusert etter kryssing av nerveoverføring5. Fordi perifer sensorimotorisk modifikasjon kan reaktivere den sovende plastisiteten til den modne hjernen, viser kryssende nerveoverføringskirurgi også stort potensial for å reparere hjerneskader6.
Nylig bekreftet vi muligheten for kreativ bruk av kryssende nerveoverføring som en ny perifer nerveendringsstrategi for problemer med sentralnervesystemet. En type kryssende nerveoverføringskirurgi, kontralateral cervikal syvende nerveoverføring (CC7), ble anvendt for å oppnå betydelig funksjonell restitusjon av den lammede armen ved å overføre C7-nerven fra den ikke-lammede siden til den lammede siden hos pasienten etter hjerneskade7. Et unikt trekk ved denne kirurgiske operasjonen er at sensoriske og motoriske signaler fra den lammede øvre ekstremiteten kommuniserte til den kontralesjonale halvkule gjennom den "venstre-høyre crossover" fordrevne nerven. Spesielt er funksjonell gjenoppretting forårsaket av CC7-kirurgi ikke begrenset til funksjonen innervert av C7-nerven selv8. I tillegg kan CC7 kirurgi brukes ikke bare til å behandle barn med cerebral parese, men også for å oppnå rehabilitering hos middelaldrende og eldre slagpasienter. Derfor er det tilstrekkelige grunner til å tro at kryssende nerveoverføring kan stimulere nevroplastisitet for å akselerere motorisk utvinning fra hjerneskade ved å modulere det perifere sensorimotoriske systemet.
Selv om kryssende nerveoverføringskirurgi har oppnådd betydelig rehabilitering i den kliniske behandlingen av både brachial plexusskader (BPI) og hjerneskader, er de nevrale mekanismene som ligger til grunn for denne operasjonen fortsatt dårlig forstått. Mangelen på en egnet dyremodell med kliniske trekk har begrenset studiet av interne mekanismer. Tradisjonelt, i klinikken, overføres C7-nerveroten kontralateralt til lesjonen til den skadede siden gjennom et nervetransplantat (f.eks. ulnarnerve, suralnerve eller saphenøs nerve) og forbundet med den berørte plexus brachialis (f.eks. mediannerve, C7-rot eller nedre stamme)2,3,9. En relativt ny modifikasjon av denne operasjonen innebærer at den uaffiserte C7-roten overføres direkte til den berørte C7-nerven via prespinalruten uten noe gap, noe som tyder på en optimal løsning7. For tiden viser mus en fordel i celletypespesifisitet og genetisk stammediversitet og er mer egnet til å studere nevrofysiologiske mekanismer. Derfor ble klinisk kirurgi simulert for å etablere en protokoll for direkte anastomose av bilaterale C7-nerverøtter via prespinalruten hos mus og bidra til studiet av de nevrale mekanismene som ligger til grunn for rehabilitering ved kryssende nerveoverføring.
Protocol
Alle dyreforsøkene ble godkjent av Institutional Care of Experimental Animals Committee of Fudan University og Chinese Academy of Science i samsvar med National Institute of Health retningslinjer. Åtte uker gamle voksne mannlige C57BL/6N mus ble brukt.
1. Preoperativt oppsett
- Sørg for et passende lager av autoklaverte steriliserte kirurgiske instrumenter, utstyr, smertestillende medisiner og bedøvelsesmedisiner.
- Sørg for tilstrekkelig arbeidsplass på et operasjonsbord.
- Forbered operasjonsbordet ved hjelp av et bleiedekket tilpasset kirurgisk skumbrett som en seng for musen. Fest en varmepute til skumbrettet med medisinsk tape dekket med sterilt gasbind.
- Lag retractors ved å bøye en akupunkturnål ved hjelp av vaskulære tang, brette den i to, og deretter bøye spissen av den brettede akupunkturnålen i en krok. Fest en gummilist på enden av akupunkturnålen, og bruk en thumbtack for å feste enden av gummilisten til skumbrettet.
- Kalibrer stereomikroskopet; Velg et stereomikroskop med tilstrekkelig fokusavstand. Dekk zoom / fokusknappene med sterilisert aluminiumsfolie slik at kirurgen kan justere dem under operasjonen. Den steriliserte aluminiumsfolien ble plassert på zoom / fokusknappene, slik at kirurgen kunne bruke den med sterile hansker.
2. Musebedøvelse og forberedelse
- Vei musen og bedøv tilsvarende kroppsvekten (isofluran 3%). Forsikre deg om at musen ikke reagerer når de interdigitale rommene i poten klemmes for å bekrefte anestesidybden. Tilstrekkelig anestesidybde bør opprettholdes gjennom hele prosedyren (1 % isofluran).
- Påfør oftalmisk salve bilateralt i øynene for å forhindre irritasjon eller tørking av hornhinnen under operasjonen.
- Forbered operasjonsstedet ved å barbere pelsen på nakken og brystet med en automatisk klipper. Fjern og rengjør det løse håret.
- Plasser musen i liggende stilling på varmeputen dekket med sterilt gasbind. Hold musetemperaturen på 37 °C under hele operasjonen. Fest musen med medisinsk tape for å få forbenene til å bortføre horisontalt og forhindre at bakre lemmer og hale beveger seg. En sterilisert disponibel kirurgisk drapering med passende åpning ble plassert på musene.
3. Operativ prosedyre
- Injiser tramadol som forebyggende analgesi (20 mg/kg, i.p.). Merk det tverrgående snittet på den øvre kanten av kragebenet. Bruk tre sykluser med vekslende skrubber av iodophor desinfeksjonsløsning og etanol for å desinfisere operasjonsstedet. Bekreft dybden av anestesi med en tåklemme før operasjonen.
- Arbeid under et mikroskop, gjør et 4 mm tverrsnitt langs merket ved hjelp av en steril skalpell. Forstørre snittet under prosedyren etter behov.
- Dissekere stumpt gjennom subkutan fascia og identifiser den nedre grensen til submandibulær kjertel. Trekk submandibulær kjertel oppover for å avsløre supraklavikulær fossa og brystben.
MERK: Det kan være små kaliber blodkar i dette området. Elektrokauteri kan brukes til å stoppe blødning. - Gjør et delvis median sternotomisnitt (~4 mm) ved å snitte brystbenet fra hode til hale langs midtlinjen. Beskytt pleura, hjerte og blodkar under sternotomi.
- Identifiser sternohyoidmuskelen. Trekk brystbenet forsiktig med to små tilpassede retractors laget av akupunkturnåler og identifiser sternohyoidmuskelen, over luftrøret og spiserøret. Trekk tilbake denne muskelen for å avsløre halspulsåren, vena jugularis interna, phrenic nerve, vagusnerven, luftrøret og spiserøret.
MERK: Trekk forsiktig inn brystbenet for å unngå åpen pneumothorax. I motsetning til hos mennesker er musens spiserør ikke bak luftrøret, men ved siden av luftrøret på venstre side. - Identifiser venstre brachial plexus. Ved sidekanten av venstre vena jugularis interna, trekk fascia og fettvev utover for å eksponere plexus brachialis. Se etter den overlegne stammen, sammensatt av C5 og C6 nerver, som har tre grener. Identifiser den midterste stammen som består av C7-nerven og den nedre stammen som består av C8- og T1-nervene, langs den øvre stammen opp til musens hale.
MERK: Det er langsgående blodkar på overflaten av brachial plexus. Bruk elektrokauteri for å forhindre blødning. Når du separerer venstre brachial plexus, beskytt chylous kanalen for å unngå en chylous fistel. - Høst venstre C7-nerve. Dissekere fremre divisjon og bakre deling av midtstammen (C7 nerve) distalt til divisjon-til-ledningsnivå under kragebenet og blokkere C7-nerven med 0,1 ml 2% lidokain ved lokal infusjon i nervestammen. Resect C7-nerven ved vannas fjærsaks ved sammenslåingspunktene med sideledningen og bakre ledning. Trim C7-nerven slik at lengden på hver divisjon er lik.
MERK: De fremre og bakre delene av C7-nerven og de fremre og bakre delene av øvre og nedre trunker løper langt før sammenløp, slik at C7-nerven bør frigjøres tilstrekkelig før reseksjon. Faktisk er C7-nerven ikke alltid delt inn i to divisjoner; Noen ganger er det delt inn i tre divisjoner eller til og med i fire i sjeldne tilfeller. - Fjern venstre C6 lamina ventralis. Beskytt forsiktig phrenic nerve og alvorlig den fremre scalene muskelen på nivået av C6-segmentet for å avsløre C7-nerveroten. Skjær små grener av C7-nerven som innerverer paraspinalmuskelen med mikrotang. Trekk forsiktig ut C7-nerven og skjær forsiktig ut C6 lamina ventralis.
MERK: Det er en benaktig prominens mellom medialsiden av venstre halspulsåren og den laterale siden av spiserøret. Denne benete prominensen er lamina ventralis av 6. Den langsgående muskelen i sidekanten av C6 lamina ventralis er den fremre scalenmuskelen, og phrenic nerve går på overflaten av den fremre scalenmuskelen. - Høst riktig C7-nerve. Alvorlig fremre skalenmuskel på høyre side, lik venstre side, og transekt høyre C7 nerverot nær intervertebral foramen. Dissekere høyre C7-nerve fra divisjonsnivået.
MERK: Kutt forsiktig høyre C7-nerve for å forhindre skade på blodårene under nerven. - Overfør venstre C7-nerve.
- Fjern muskel longus colli ved siden av vertebrale legemer delvis på begge sider. Sløvt skille og utvide rommet mellom luftrør-spiserøret og vertebral kroppen.
- Send en halvfold 5-0 nylonsuturer fra høyre side av vertebrallegemet til venstre side gjennom prespinalruten.
- Fest venstre C7-nerve med et infusjonsrør og før nerven til høyre side via prespinalruten.
- Trekk luftrøret og spiserøret forsiktig inn og koapt de fremre og bakre delene av venstre C7-nerve til høyre C7-nerverot uten spenning ved hjelp av 12-0 Nylonsuturer. Sutur epineurium rundt nervene med 4-5 masker for å koaptere nervene sterkt.
MERK: Det er viktig å velge et plastinfusjonsrør med passende tykkelse. For tynn av et rør kan skade nerven, og for tykt av et rør kan skade luftrøret og spiserøret. I tillegg er rommet mellom luftrør-spiserøret og vertebrallegemet et "V" -formet rom, og kutting av en del av muskel longus colli kan forkorte overføringsveien.
4. Lukking av sår
- Skyll såret med sterilt normalt saltvann og tørk det med sterilt gasbind.
- Sutur brystbenet og lukk huden ved hjelp av 5-0 monofilament suturer.
5. Postoperativ behandling
- Vent til musen våkner fra anestesi. Overfør musen til et rent bur uten sengetøymateriale, men oppvarmet med et varmeteppe. Observer musen til den er ambulerende. Bruk tramadol (20mg/kg, i.p.) som postoperativ analgesi.
- Plasser musene i et gjenopprettingsbur og overvåk det til gjenoppretting. Gjenopprett musens vann og diett etter operasjonen. Overvåk musene postoperativt for tegn på nedsatt funksjonsevne eller infeksjon hver dag, inkludert underernæring, hakket holdning og ruffled pels. På to uker etter operasjonen bør suturfjerning forekomme.
MERK: Påfør erytromycinsalve på såroverflaten hver dag i tre påfølgende dager. - Hvis noen komplikasjoner, som sårødem observeres, bør det umiddelbart løses.
6. Atferdsanalyse
MERK: All atferdstesting og analyse ble gjort av en observatør blindet for eksperimentelle grupper.
- Sylindertest
MERK: Sylindertesten evaluerer bruken av forben under spontan vertikal eksplorasjon i en sylinder 4 og 8 uker etter operasjonen21.- Plasser musene i en gjennomsiktig sylinder (diameter 9 cm, høyde 15 cm) på en forhøyet ramme.
- For å forenkle observasjon og opptak, fest et speil i en 45° vinkel under sylinderen.
- Registrer spontan oppdrett av hver mus observert ved hjelp av speilet i 10 minutter.
- Bestem manuelt hvor lenge (i) høyre pote, (ii) venstre pote eller (iii) begge potene kom i kontakt med glassveggene. Tell totalt 20 bevegelser i løpet av hver økt. Ekskluder mus som ikke er aktive under testen fra analysen.
- Ranger testytelsen som:
- Test av grid-walk
MERK: Grid-walk testen vurderer nøyaktig plassering av forpotene på trinnene i et rutenett under spontan utforskning 4 og 8 uker etter operasjonen. 22.- Plasser musene på et ledningsgitter (20 cm x 24 cm) med 25 mm firkantede hull og la dem fritt utforske i 10 minutter mens de tar opp ytelsen med et videokamera.
- Score en fot slip i tilfelle av ett av følgende:
- Se etter tilfeller når poten helt savner et trinn (i så fall faller lemmen mellom trinnene og dyret mister balansen).
- Se etter tilfeller når poten er riktig plassert på et trinn, men glir av mens du bærer kroppsvekt.
- Uttrykk testresultatet som fotglidning av høyre forben / total fotglidning. Selv om verken sylindertesten eller grid-walk-testen krever trening, kan du oppnå baseline score ved å teste hvert dyr en gang før operasjonen.
Representative Results
Unilateral hjerneskade forårsaker ofte permanent dysfunksjon av den kontralaterale lemmen på grunn av begrensningene av kompenserende nevral plastisitet hos voksne10,11. Tidligere rapporterte vi at CC7-kirurgi kunne brukes til å behandle hemiplegiske overekstremiteter hos voksne pasienter etter hjerneskade7. For å evaluere effektiviteten av protokollen for direkte anastomose bilaterale C7-nerver via prespinalruten, utførte vi kryssende nerveoverføringskirurgi hos mus etter ensidig traumatisk hjerneskade (TBI). Figur 1 beskriver TBI-prosedyrene og verifiserer skadeomfanget og effekten. Først ble en elektrisk kortikal kontusjonspåvirkning (eCCI) brukt til å skade hjernebarken på venstre halvkule (anteroposterior = +1,0 mm til -2,0 mm, mediolateral = 0,5 mm til 3,5 mm) hos voksne mus for å resultere i ensidig hjerneskade. Etter 2 uker bekreftet anatomiske strukturer at denne TBI-protokollen nesten ødela den sensorimotoriske cortexen, et viktig sted for å initiere bevegelser. Disse musene med ensidig TBI viste signifikante motorfeil i høyre forben.
Figur 2 beskriver CC7-prosedyrene. Banediagrammet for CC7-kirurgi viste at bane A, som representerer prespinalruten, var den korteste tilnærmingen sammenlignet med de andre. Lengden på bane A er enda lavere enn lengden på den høstede C7-nerven på venstre side (ikke-lammet side). Dette funnet ga det anatomiske grunnlaget for valg av prespinalrute for å fullføre nerveoverføringskirurgi. CC7-kirurgi ble utført ved direkte anastomose via prespinalruten to uker etter TBI. Cervical 7 (C7) nerve på den ikke-lammede siden ble direkte overført til den lammede siden i stedet for å gjøre sine opprinnelige hjerneforbindelser. Figur 3 viser resultatene av elektronmikroskopi som viste at den overførte C7-nerven hadde regenerert. Myelinkappetykkelsen på den overførte C7-nerven økte gradvis, fra 4 uker etter CC7-operasjonen, og var nesten sammenlignbar med den i kontrollgruppen ved 8 uker etter CC7-operasjonen. Figur 4 identifiserer muskelreinnervasjon av den overførte C7-nerven ved hjelp av elektromyografiske registreringer. Elektrisk stimulering av den proksimale enden av C7-nerveanastomose førte til stabilt induserte aksjonspotensialer i flere muskler i affisert forekstremitet 4 uker postoperativt, i samsvar med elektronmikroskopiresultatene. Figur 5 viser at den overførte C7-nerven inneholder motoriske fibre fra ventralhornet og sensoriske fibre fra ryggmargsrotgangliene i ryggmargen C7-segmentet på den friske siden gjennom koleratoksinsubenhet B (CTB) retrograd merking.
Figur 6 viser at musemodellen også viste signifikant motorisk restitusjon etter ensidig TBI, i samsvar med resultatene fra de kliniske studiene. For å verifisere effekten av CC7-kirurgi på gjenoppretting av skadet motorfunksjon etter TBI, ble det etablert en TBI + Sham-gruppe og en Control + Sham-gruppe. Musene i TBI + Sham-gruppen og TBI + CC7-gruppen fikk de samme prosedyrene for TBI-skade samtidig, mens musene i Control + Sham-gruppen bare fikk svindeloperasjon. Mens musene i TBI + CC7-gruppen fikk nerveoverføringskirurgi, gjennomgikk mus i TBI + sham-gruppen og Control + Sham-gruppen bilateral cervikal 7 (C7) nervereseksjon. I sylindertester viste TBI + CC7-gruppen en signifikant høyere bruksrate for den svekkede forbenet enn TBI-gruppen både ved 4 og 8 uker etter CC7-kirurgi (p < 0,01). I grid-walking tester viste TBI + CC7-gruppen en lavere feilrate enn TBI-gruppen ved 4 uker etter CC7-operasjonen. Videre var feilraten i TBI + CC7-gruppen signifikant lavere enn i TBI-gruppen ved 8 uker etter CC7-kirurgi (p < 0,05). Disse atferdsresultatene viste at CC7-kirurgi kunne forbedre motorfunksjonen til den berørte lemmen i TBI-mus. Sammen antyder disse resultatene at den overførte C7-nerven gjenoppbygd ved CC7-kirurgi via prespinalruten ble vellykket regenerert og reinnervert den svekkede forbenet, noe som bidro til motorisk restaurering hos voksne mus med ensidig TBI.
Figur 1 Karakterisering av ensidig traumatisk hjerneskade. (A) Skjematisk som viser museposisjonen i eCCI. (B) Parametrene og skadeområdet for eCCI. (C) Representativt koronalt snitt som viser lesjonert cortex (2 uker etter TBI, skala bar = 500 μm). Forkortelse: eCCI = elektrisk kortikal kontusjonspåvirkning. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Det kirurgiske elementærdiagrammet. (A) Skjematisk diagram som viser eksperimentell design for å utføre kontralateral C7-nerveoverføring i TBI-mus. Den røde sirkelen viser posisjonen til traumet. Den røde dobbeltskråstreken i det stiplede rektangelet viser den suturerte nerven. (B) Et tverrsnitt viser tre alternative ruter for den kontralaterale C7-nerveoverføringen hos musene. Bane A, den blå linjen skildrer prespinalruten til den overførte nerven; Bane B, den grønne linjen, skildrer den pretrakeale ruten til den overførte nerven; Bane C, den røde linjen, skildrer den subkutane tunnelen til den overførte nerven. (C) Grafen viser lengden på rutene og den høstede C7-nerven i (B). Lengden på bane A (3,3 ± 0,10 mm) var signifikant lavere enn lengden på den høstede C7-nerven (4,05 ± 0,11 mm; * p < 0,05, enveis ANOVA, n = 20 i hver gruppe). Lengden på bane C (14,15 ± 0,20 mm) var signifikant større enn for den høstede C7-nerven (*** p < 0,001, enveis ANOVA, n = 20 i hver gruppe). Lengden på bane B var 4,2 ± 0,08 mm (n = 20). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3 Elektronmikroskopianalyse av et tverrsnitt av nerven. (A,B) Bilder av nerven i kontrollmus. Skala bar = 5 μm (A) og 1 μm (B). (C,D) Bilder av den regenererte nerven en måned etter operasjonen. Skala bar = 5 μm (C) og 1 μm (D). (E, F) Bilder av den regenererte nerven på et tidspunkt fem måneder etter operasjonen. Skala bar = 5 μm (E) og 1 μm (F). (G, H) Bilde av den regenererte nerven to måneder etter operasjonen. Skala bar = 5 μm (G) og 1 μm (H). Forstørrelse av A, C, E og G, 2000x; forstørrelse av B, D, F og H, 15 000x. (I) G-forholdet (forholdet mellom den indre og den ytre diameteren av myelinskjeden) er lavere i kontrollgruppeprøver enn i 4-ukers prøver og lik prøver 6-8 uker etter operasjonen (***: p < 0,001; sammenligning ved forskjellige gruppeaksoner med t-test; n = 3 mus i hver gruppe). Forkortelser: CC7 = kontralateral cervikal syvende nerveoverføring; CC7-XW = X uker etter operasjonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4 Elektromyografianalyse etter kontralateral C7-nerveoverføring indikerer frekvensen av nerveregenerering. (A) Skjematisk diagram som viser elektronisk overføringsstimulering og in vivo elektromyografiopptak. Stimuleringsintensiteten var den samme gjennom hele testen (2 mA). Stimuleringsstedet er C7-nerven proksimalt for anastomosen. (B, C) Fotografier som viser aksjonspotensial registrert ved pectoralis major to uker (B) og fire uker (C) etter operasjon. (D, E) EMG ble registrert i extensor digitorum 4 uker (D) og 8 uker (E) etter operasjonen. (F) Etter tre uker oppsto CMAPs i triceps brachii. (G) Etter fire og åtte uker økte CMAPs av triceps brachii. (H) Gjennomsnittlig amplitude av pectoralis major nådde ~0,25 mV ± 0,16 mV ved 4 uker versus 0,45 mV ± 0,03 mV etter 8 uker, noe som viser en signifikant forskjell mellom de to tidspunktene (*** p < 0,001, t-test, n = 6 i hver gruppe). (I) Gjennomsnittlig amplitude av triceps brachii nådde ~0,15 mV ± 0,01 mV ved 4 uker versus 0,46 mV ± 0,02 mV etter 8 uker, noe som viser en signifikant forskjell mellom de to tidspunktene (***: p < 0,001, t-test, n = 6 i hver gruppe). (J) Gjennomsnittlig amplitude av extensor digitorum nådde ~0,11 mV ± 0,01 mV ved 4 uker versus 0,29 mV ± 0,02 mV etter 8 uker, noe som viser en signifikant forskjell mellom de to tidspunktene (***: p < 0,001, t-test, n = 6 i hver gruppe). Forkortelser: EMG = elektromyografi; CMAP = sammensatt muskelaksjonspotensial. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5 CTB retrograd merking av motoriske og sensoriske nevroner i nervus C7. (A-C) CTB ble injisert i distale enden av C7-nerveanastomosen 4 uker etter CC7-operasjonen. (A) De sensoriske nevronene ble merket for DRG. (B, C) De motoriske nevronene i den overførte C7-nerven ble merket for spinalens fremre horn. Forstørrelse, 20x. Skala bar = 200 μm (A, B); 100 μm (C). Forkortelser: CTB = koleratoksinunderenhet B; DRG = dorsalrot ganglion; DAPI = 4′,6-diamidino-2-fenylindol. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Atferdsendringer etter CC7-kirurgi. (A) Bildene viser sylindertesten av musene. (B) Sammendragsgraf som viser effekten av CC7-overføring 4 uker og 8 uker etter operasjon på TBI-musene (n = 6 mus). p = 0,001; Uparet t-test. Den gjennomsnittlige bruken av den svekkede forbenet var 54,17 % ± 3,01 % i Control + Sham-gruppen mot 22,5 % ± 2,14 % i TBI + Sham-gruppen; 35,83 % ± 2,39 % i TBI + CC7-gruppen 4 uker etter CC7-kirurgi, noe som indikerer en signifikant forskjell (enveis ANOVA; p < 0,05, n = 6 i hver gruppe). 8 uker etter CC7-overføring var bruken 53,33 % ± 3,80 %, 24,17 % ± 3,01 % og 40,00 % ± 1,83 % i henholdsvis Control + Sham-gruppen, TBI + Sham-gruppen og TBI + CC7-gruppen, en signifikant forskjell (*p < 0,05, enveis ANOVA, n = 6 i hver gruppe). (C) Bildene viser grid walk test. (D) Grafen viser at den gjennomsnittlige feilraten for den svekkede forbenet i TBI + Sham-gruppen var 85,41 % ± 1,59 % (n = 6) tilsvarende TBI + CC7-gruppen 80,17 % ± 2,19 % (n = 6), og begge var mer enn Control + Sham-gruppen (50,99 % ± 11,69 %). 8 uker etter operasjonen var feilraten i TBI + CC7-gruppen 76,87 ± 1,07 % (n = 6), noe som er signifikant lavere enn TBI + Sham-gruppen (83,06 % ± 1,41 %; p < 0,05, enveis ANOVA, n = 6 i hver gruppe). Forkortelser: CC7 = kontralateral cervikal syvende nerveoverføring; TBI = traumatisk hjerneskade. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
I klinikken har kryssende nerveoverføringskirurgi blitt brukt til å behandle pasienter med brachial plexus avulsjonsskade og etter hjerneskade, som hjerneslag og TBI 7,9,12. Spesielt er hjerneskade en alvorlig nevrologisk tilstand som kan føre til flere komplikasjoner, inkludert epilepsi, cerebral brokk og infeksjon13. Ikke alle pasienter med ensidig hjerneskade er egnet for CC7-kirurgi. Generelt har CC7-kirurgi blitt utført hos pasienter med sentral hemiplegi på kronisk stadium (6 måneder etter skade) for å unngå påvirkning av hjerneødem så mye som mulig. Pasienter med kognitiv svikt og quadriplegia etter hjerneskade er ekskludert fra behandling for CC7 kirurgi.
De fleste studier har rapportert å bruke en subkutan tilnærming og sural eller ulnar nervetransplantasjonsanastomose for å overføre den kontralaterale C7-nerveroten14,15. Imidlertid krever nerveregenerering ved slike metoder seks måneder, noe som kan hindre motorgjenopprettingsprosessen og til og med potensielt påvirke hjernens plastisitet14. I tidligere studier ble det utført kontralateral C7-overføring hos rotter, og nervus C7 bilateralt ble brukt via 4 tråder av den interposisjonelle autopodede suralnerven. Det har imidlertid ikke vært rapporter om C7-nerveoverføring via prespinalruten hos mus. Vi utførte CC7-kirurgi av den modifiserte prespinalruten hos mus og verifiserte hastigheten på funksjonell gjenoppretting etter C7-nerveoverføring. I denne studien forbedret kontralateral C7-nerveoverføring via prespinalruten lammet lemfunksjon en måned etter operasjonen, noe som gjenspeiler en kortere restitusjonstid for den nervetransplanterte dyremodellen. Derfor kan denne modellen nøyaktig simulere kliniske situasjoner og legge grunnlaget for videre eksperimenter.
Hvordan dissekere nerveroten og redusere risikoen er viktige spørsmål for C7-overføring. I motsetning til hos mennesker ligger musens brachiale plexus i brystet under kragebenet 5,16. Derfor måtte tilgangsstrategien endres for å tillate observasjon av roten til C7-nerven og ryggraden17. Sternotomi er en sikker og effektiv operativ tilnærming og brukes ofte i museforsøk i kardiotorakal kirurgi18,19. C6 lamina ventrali er også et hinder for å overføre nerver. Dermed ble sternotomikirurgi utført for å dissekere C7-nerveroten og kutte C6 lamina ventrali for å forkorte overføringsavstanden.
Selv om prespinalruten kan øke suksessraten for direkte anastomose av nerveoverføringskirurgi betydelig, kan ikke alle mus anastomoseres direkte. Dette skyldes hovedsakelig de anatomiske forskjellene i disse musene. Den midterste stammen (C7-nerve) smelter sammen med den øvre eller nedre stammen på et sted svært nær intervertebral foramen. Dermed er lengden på C7-nervene som er tilgjengelige for høsting utilstrekkelig. For tiden er den eneste tilnærmingen nervetransplantasjon eller erstatning av mus. Denne modellen brukes vanligvis i 8 uker gamle mus (20-25 g), da musene er modne og C7-nerver er av tilstrekkelig størrelse til å bli håndtert. Selv om denne kirurgiske protokollen også gjelder for unge mus, vil vanskeligheten med operasjonen øke betydelig hos yngre mus.
Forbensmotorfunksjonen til mus i TBI + CC7-gruppen ble signifikant økt etter en måned og to måneder, noe som tyder på at den overførte C7-nerven bidro til utvinningen av den nedsatte forbenet. Remyelinisering er kritisk for funksjonell nevral gjenoppretting. En tidligere studie viste at myelinskjeden av skadede nerver regenererte etter en måned, i samsvar med disse resultatene20. Her modnet den overførte nerven gradvis, noe som var i samsvar med atferdstesten. Elektromyografi ble brukt til å ytterligere teste frekvensen av funksjonell utvinning etter nerveoverføring. Resultatene viste at den overførte nerven innerverterte den berørte muskelen 4 uker etter operasjonen. Spesielt er denne studien den første som bestemmer tidspunktet for reinnervasjon med en direkte anastomose etter krysset nerveoverføringskirurgi.
Oppsummert simulerte vi klinisk kirurgi for å etablere en protokoll for direkte anastomose av bilaterale plexusnerver i brachialis via prespinalruten hos mus og bekreftet funksjonen til den fordrevne nerven. Musemodellen bidro til å belyse nevrale mekanismer som ligger til grunn for rehabilitering ved kryssing av nerveoverføring etter skader i sentral- og perifert nervesystem.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter å oppgi.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (82071406, 81902296 og 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).
