这是一种用于外科植入和操作周围神经无线供电接口的协议。我们通过放置在大鼠坐骨神经或膈神经上的神经刺激器的例子来证明这种方法的实用性。
周围神经接口经常用于实验神经科学和再生医学中的各种应用。此类接口可以是传感器、执行器或两者兼而有之。传统的周围神经接口方法必须连接到外部系统或依靠电池供电来限制操作时间。随着无线、无电池和完全植入式周围神经接口的最新发展,一类新型设备可以提供与其有线或电池供电的前体相匹配或超过其功能。本文描述了 (i) 手术植入和 (ii) 在成年大鼠中无线供电和控制该系统的方法。选择坐骨神经和膈神经模型作为示例,以突出这种方法的多功能性。这篇论文展示了周围神经接口如何唤起复合肌肉动作电位(CMAP),提供治疗性的电刺激方案,并结合用于修复周围神经损伤的导管。此类设备为单剂量或重复剂量治疗刺激提供了扩展的治疗选择,并且可以适应各种神经位置。
创伤性周围神经损伤 (PNI) 在美国发生,年发病率约为每年 200,000 例1。大多数患有 PNI 的患者都会留下永久性功能障碍。在最坏的情况下,这可能会导致肌肉麻痹并引发治疗难治性神经性疼痛,以至于患者愿意接受截肢作为治疗2。改善PNI结果的最大障碍是轴突再生相对于它们必须再生的距离太慢。例如,成人轴突以 1 毫米/天的速度生长,但在近端肢体病变的情况下,可能需要在距离>1000 毫米的距离内再生。
在目前的临床实践中,~50% 的 PNI 需要手术修复3.为了成功进行神经再生,轴突必须 (i) 在病变部位生长(即间隙交叉),然后 (ii) 沿神经通路再生以到达终末器官靶标(即远端再生)(图 1)。目前尚无 FDA 批准的药物被证明可以加速神经再生。PNI 临床管理的现状在过去几十年中只是逐渐改变,并且仅限于对手术方法的技术改进,例如远端运动神经转移以减少再生轴突必须行进的距离4,或“现成的”合成神经导管,用于近端神经回缩且无法直接缝合在一起的情况5.然而,已经有四项关于术后神经治疗性电刺激的随机临床试验,这些试验是由阿尔伯塔大学的 K. Ming Chan 博士领导的单中心研究,显示肌肉6、7、8 或皮肤9 的神经再支配显着改善。该电刺激方案的基础工作是在啮齿动物 10,11 中进行的,其中已经表明电刺激通过增强间隙交叉(图 1)而不是远端再生 12,13,14,15 来特异性地起作用。
在所有四项电刺激随机临床试验中使用的经皮线电极的手术放置是必要的,因为它的效果取决于以 20 Hz 连续 1 小时11 小时 20 Hz 使神经元细胞体去极化的足够电流的传递。在临床实践中,由于疼痛,这种电刺激方案对于大多数患者来说是无法忍受的,因为皮肤上的表面刺激电极所需的强度。术后运行经皮电极存在不小的风险,例如深部伤口感染或在将患者从手术室 (OR) 转出时金属丝从神经上意外移位。此外,手术室时间的高成本本身阻碍了在那种情况下而不是在急性术后恢复期间尝试手术。一类新型的无线、无电池和完全植入式周围神经接口正在出现,以解决现有周围神经接口的这一缺点。
这种新型的无线植入式电子系统有望提高电刺激给药的便利性和灵活性,并打破阻碍其更广泛临床实施的障碍。本文描述了在成年大鼠坐骨神经和膈神经模型中 (i) 手术植入和 (ii) 无线供电和控制该系统的方法。它展示了周围神经接口如何唤起 CMAP,提供治疗性电刺激方案,甚至充当周围神经修复的管道。这里的方案可以适用于该技术的其他变体,这些变体可以为光遗传学介导的神经调控16,受控药物释放17或随时间重复的电刺激18,19提供光脉冲。
本文描述了在大鼠坐骨神经和膈神经模型中手术植入和操作无线、无电池和完全可植入的周围神经接口的步骤。我们展示了如何使用这种新型生物医学植入物来提供治疗性电刺激范式,在临床前和临床研究中显示可以增强轴突再生(有关审查,请参阅22)。该协议并不复杂,可以外推到较小的动物模型,例如小鼠21,以及其他具有光电和微流体周围神经接口18,23,24,25,26,27,28,29,30功能的无线,无电池和完全植入的设备.还展示了使用啮齿动物坐骨神经的方法,这是最常见的实验模型31。
当这种方法适应于与膈神经的接口时,这种方法的多功能性已经得到证明,膈神经很少被用作周围神经损伤的模型32,也许是因为它是一个被严重低估的临床问题33,34,35。在 COVID-19 大流行期间,膈神经损伤的诊断和康复已成为一个重要问题 36,37,38。目前尚不清楚这种简短的低频电刺激范式是否可以增强膈轴突的再生和膈肌麻痹的恢复。然而,膈神经电刺激膈肌起搏是高位颈脊髓损伤导致四肢瘫痪患者呼吸衰竭的既定选择39,40,41,42,43。其他适应症正在探索中,包括危重疾病后呼吸机脱机44.
应强调几个关键步骤,以确保植入系统的良好运行。首先,重要的是在处理设备时避免对设备的薄电子元件施加太大的力,以防止铅脱绝缘、扭结或断裂。接下来,重要的是要准确标记射频功率采集器线圈在覆盖皮肤上的位置。第三,用鹅颈夹将外部射频电源的传输线圈仔细对准植入装置的功率采集器线圈,以确保稳定运行。最后,除了目视观察肌肉抽搐外,为了确认电刺激,建议定期进行神经生理监测。在颈部膈神经解剖结构更复杂的情况下,电生理确认有助于证明正确的神经已被分离出来(图6)。
除了本文18,19,21 中所示的无线、无电池电刺激器外,许多其他设备可能共享相同的程序。例如,由于设计用于植入舌咽神经和迷走神经以长期记录来自交感神经和副交感神经系统 30,45,46 的电极与膈神经共享相似的手术区域,因此该协议可以适用于它们的植入。用于周围神经的无线长期生物相容性刺激器,例如 ReStore,是保持原位并根据需要刺激神经的绝佳工具 25,47,48,49,50。还报道了相关的多通道无线录音植入物51.总体而言,我们相信这些手术和电刺激方案可以作为与电刺激或记录相关的所有无线周围神经接口的标准。
The authors have nothing to disclose.
这项工作使用了西北大学NUANCE中心的NUFAB设施,该中心得到了SHyNE资源(NSF ECCS-1542205),IIN和西北大学MRSEC计划(NSF DMR-1720139)的支持。这项工作利用了西北大学材料研究中心美国国家科学基金会 (DMR-1720139) 的 MRSEC 项目支持的 MatCI 设施。C.K.F 感谢美国国立卫生研究院 (NIH) 的 Eunice Kennedy Shriver 儿童健康与人类发展研究所(资助号 R03HD101090)和美国神经肌肉基金会(发展资助)的支持。Y.H. 感谢 NSF 的支持(授权号。CMMI1635443)。这项工作得到了西北大学Querrey Simpson生物电子学研究所的支持。
Amplifier | Electronics & Innovation | 201L | |
Arbitrary Waveform Generator | RIGOL | DG1032Z | 30 MHz, 2 Channel, 200 MS/s, 14bit Resolution, 8 Mpts |
Bupivacaine | Pfizer | 655317 | Marcaine, 0.5% |
Copper/polyimide/copper | Pyralux | AP8535R | 18 µm thick top and bottom copper, 75 µm thick polyimide |
EMG recording device | Natus | Nicolet VikingQuest | |
EPOXY MARINE | Loctite | ||
Isoflurane, USP | Butler Schein Animal Health | 1040603 | ISOTHESIA |
Meloxicam | covetrus | 5mg/ml | |
Needle electrodes | Technomed USA Inc. | TE/B50600- 001 | |
PDMS (Silicone Elastomer Kit) | DOW | SYLGARD™ 184 | |
ProtoLaser U4 | LPKF | U4 | |
Puralube Vet Ointment Sterile Ocular Lubricant | Puralube | 83592 | |
Waveform generator | Agilent Technologies | Agilent 33250A |