Dette er en protokol til kirurgisk implantation og drift af en trådløst drevet grænseflade til perifere nerver. Vi demonstrerer nytten af denne tilgang med eksempler fra nervestimulatorer placeret på enten rottens iskiasnerve eller phrenic nerve.
Perifere nervegrænseflader bruges ofte i eksperimentel neurovidenskab og regenerativ medicin til en lang række applikationer. Sådanne grænseflader kan være sensorer, aktuatorer eller begge dele. Traditionelle metoder til perifer nervegrænseflade skal enten binde til et eksternt system eller stole på batteristrøm, der begrænser tidsrammen for drift. Med den seneste udvikling af trådløse, batterifrie og fuldt implanterbare perifere nervegrænseflader kan en ny klasse af enheder tilbyde funktioner, der matcher eller overstiger deres kablede eller batteridrevne forløbere. Dette papir beskriver metoder til (i) kirurgisk implantering og (ii) trådløs strøm og kontrol af dette system hos voksne rotter. De iskias- og phrenic nervemodeller blev valgt som eksempler for at fremhæve alsidigheden af denne tilgang. Papiret viser, hvordan den perifere nervegrænseflade kan fremkalde sammensatte muskelaktionspotentialer (CMAP’er), levere en terapeutisk elektrisk stimuleringsprotokol og inkorporere en kanal til reparation af perifer nerveskade. Sådanne indretninger tilbyder udvidede behandlingsmuligheder for terapeutisk stimulering af enkeltdosis eller gentagen dosis og kan tilpasses en række forskellige nerveplaceringer.
Traumatiske perifere nerveskader (PNI’er) forekommer i USA med en årlig forekomst på ca. 200.000 pr.År 1. De fleste patienter, der lider af PNI’er, efterlades med permanente funktionsnedsættelser. I værste fald kan dette resultere i muskellammelse og udløse behandlingsildfaste neuropatiske smerter så alvorlige, at patienter er villige til at gennemgå en lemamputation som behandling2. Den største hindring for at forbedre PNI-resultaterne er, at axonregenerering er for langsom i forhold til de afstande, de skal vokse igen. For eksempel vokser en voksen human axon ved 1 mm / dag, men skal muligvis regenerere over afstande > 1000 mm i tilfælde af en læsion i et proksimalt lem.
I nuværende klinisk praksis kræver ~ 50% af PNI’erne kirurgisk reparation3. For vellykket nerveregenerering skal axoner (i) vokse over læsionsstedet (dvs. mellemrumskrydsning) og derefter (ii) regenerere ned ad nervevejen for at nå et slutorganmål (dvs. distal genvækst) (figur 1). Der er ingen FDA-godkendte lægemidler, der har vist sig at fremskynde nerveregenerering. Status quo for PNI klinisk ledelse har kun ændret sig trinvist i løbet af de sidste årtier og er begrænset til tekniske forbedringer af kirurgiske metoder såsom distale motoriske nerveoverførsler for at reducere afstanden regenererende axoner skal rejse4 eller “off the shelf” syntetiske nerveledninger i tilfælde, hvor den proksimale nerve trækker sig tilbage og ikke direkte kan sutureres sammen igen5. Der har imidlertid været fire randomiserede kliniske forsøg med terapeutisk elektrisk stimulering anvendt på nerver postoperativt, som var enkeltcenterundersøgelser ledet af Dr. K. Ming Chan ved University of Alberta, der viser signifikant forbedret reinnervering af muskel 6,7,8 eller hud9. Det grundlæggende arbejde for denne elektriske stimuleringsprotokol blev udført hos gnavere10,11, hvor det har vist sig, at elektrisk stimulering virker specifikt ved at forbedre mellemrumskrydsning (figur 1), men ikke distal genvækst12,13,14,15.
Den kirurgiske placering af transkutane trådelektroder, der blev anvendt i alle fire randomiserede kliniske forsøg med elektrisk stimulering, var nødvendig, fordi dens virkninger afhænger af levering af tilstrækkelig strøm til at depolarisere neuroncellelegemet ved 20 Hz kontinuerligt i 1 h11. I klinisk praksis er denne elektriske stimuleringsprotokol ikke acceptabel for de fleste patienter ved de intensiteter, der kræves via overfladestimulerende elektroder på huden på grund af smerte. Der er ikke-trivielle risici forbundet med at køre transkutane elektroder postoperativt, såsom dyb sårinfektion eller utilsigtet forskydning af ledninger fra nerverne under patienttransport fra operationsstuen (OR). Derudover er de høje omkostninger ved OR-tid i sig selv et afskrækkende incitament mod at forsøge det i denne indstilling snarere end under akut postoperativ genopretning. En ny klasse af trådløse, batterifrie og fuldt implanterbare perifere nervegrænseflader dukker op for at løse denne mangel ved eksisterende perifere nervegrænseflader.
Denne nye klasse af trådløse implanterbare elektroniske systemer er klar til at øge letheden og fleksibiliteten til dosering af elektrisk stimulering og nedbryde de barrierer, der forhindrer dens bredere kliniske implementering. Dette papir beskriver metoder til (i) kirurgisk implantering og (ii) trådløs strøm og kontrol af dette system i voksne rotte-, iskias- og phrenic nervemodeller. Det viser, hvordan den perifere nervegrænseflade kan fremkalde CMAP’er, levere en terapeutisk elektrisk stimuleringsprotokol og endda fungere som en kanal til reparation af perifere nerver. Protokollerne her kan tilpasses til andre varianter af denne teknologi, der kan levere lysimpulser til optogenetisk medieret neuromodulation16, kontrolleret lægemiddelfrigivelse17 eller gentagne anfald af elektrisk stimulering over tid18,19.
Dette papir beskriver trinene i kirurgisk implantation og drift af en trådløs, batterifri og fuldt implanterbar perifer nervegrænseflade i rottens iskias- og phrenic nervemodel. Vi demonstrerer, hvordan denne nye klasse af biomedicinske implantater kan bruges til at levere et terapeutisk elektrisk stimuleringsparadigme, der har vist sig at forbedre axonregenerering i prækliniske og kliniske undersøgelser (til gennemgang, se22). Denne protokol er ukompliceret og kan ekstrapoleres til mindre dyremodeller, såsom mus21, samt andre trådløse, batterifrie og fuldt implanterbare enheder med funktionalitet, der inkluderer optoelektroniske og mikrofluidiske perifere nervegrænseflader 18,23,24,25,26,27,28,29,30. Også demonstreret er tilgangen ved hjælp af gnaveriskiasnerven, som er den mest almindelige eksperimentelle model31.
Alsidigheden af denne tilgang er blevet vist, når den er tilpasset grænsefladen med phrenic nerven, som sjældent anvendes som en model for perifer nerveskade32, måske fordi det er et meget underkendt klinisk problem 33,34,35. Phrenic nerveskade diagnose og rehabilitering er blevet et vigtigt spørgsmål under COVID-19-pandemien 36,37,38. Det er i øjeblikket ukendt, om regenerering af phrenic axoner og genopretning fra membranlammelse kan forstærkes af dette korte, lavfrekvente elektriske stimuleringsparadigme. Imidlertid er phrenic nerve elektrisk stimulering til membranmuskelpacing en etableret mulighed for respirationssvigt hos patienter med tetraplegi fra høj cervikal rygmarvsskade 39,40,41,42,43. Andre indikationer undersøges, herunder fravænning af respiratorer efter kritisk sygdom44.
Flere kritiske trin skal understreges for at sikre god drift af det implanterede system. For det første er det vigtigt at undgå at anvende for meget kraft på de tynde elektroniske komponenter i enhederne, når du håndterer dem for at forhindre blyisolering, knæk eller brud. Dernæst er det vigtigt nøjagtigt at markere placeringen af radiofrekvensstrømhøsterspolen på den overliggende hud. For det tredje muliggør omhyggelig justering af transmissionsspolen på den eksterne radiofrekvensstrømforsyning over den implanterede enheds strømhøsterspole med en svanehalsklemme stabil drift. Endelig anbefales periodisk neurofysiologisk overvågning for at bekræfte elektrisk stimulering ud over visuel observation af muskeltrækninger. I tilfælde af den mere komplekse anatomi af phrenic nerven i nakken hjælper elektrofysiologisk bekræftelse med at demonstrere, at den korrekte nerve er blevet isoleret (figur 6).
Udover de trådløse, batterifrie elektriske stimulatorer, der er vist i dette papir 18,19,21, deler mange andre enheder potentielt de samme procedurer. For eksempel, fordi elektroder designet til at implantere til glossopharyngeal og vagusnerver for kronisk at registrere signaler fra sympatiske og parasympatiske nervesystemer 30,45,46 deler et lignende kirurgisk område med phrenic nerven, kan denne protokol tilpasses til deres implantation. Trådløse langsigtede biokompatible stimulatorer til perifere nerver, såsom ReStore, er gode værktøjer til at forblive på plads og stimulere nerver efter behov 25,47,48,49,50. Der er også rapporteret om relevante multikanals trådløse optagelsesimplantater51. Samlet set mener vi, at disse kirurgiske og elektriske stimuleringsprotokoller kan tilpasses som standard for alle trådløse perifere nervegrænseflader relateret til elektrisk stimulering eller optagelse.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde brugte NUFAB-faciliteten fra Northwestern University’s NUANCE Center, som har modtaget støtte fra SHyNE Resource (NSF ECCS-1542205), IIN og Northwesterns MRSEC-program (NSF DMR-1720139). Dette arbejde gjorde brug af MatCI-faciliteten støttet af MRSEC-programmet fra National Science Foundation (DMR-1720139) ved Materials Research Center of Northwestern University. C.K.F anerkender støtte fra Eunice Kennedy Shriver Institute of Child Health and Human Development of the NIH (bevilling nr. R03HD101090) og American Neuromuscular Foundation (Development Grant). Y.H. anerkender støtte fra NSF (bevillingsnr. CMMI1635443). Dette arbejde blev støttet af Querrey Simpson Institute for Bioelectronics ved Northwestern University.
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 |