Dette er en protokoll for kirurgisk implantasjon og drift av et trådløst drevet grensesnitt for perifere nerver. Vi demonstrerer nytten av denne tilnærmingen med eksempler fra nervestimulatorer plassert på enten rotte isjiasen eller phrenic nerve.
Perifere nervegrensesnitt brukes ofte i eksperimentell nevrovitenskap og regenerativ medisin for et bredt spekter av applikasjoner. Slike grensesnitt kan være sensorer, aktuatorer eller begge deler. Tradisjonelle metoder for perifert nervegrensesnitt må enten binde seg til et eksternt system eller stole på batteristrøm som begrenser tidsrammen for drift. Med den nylige utviklingen av trådløse, batterifrie og fullt implanterbare perifere nervegrensesnitt, kan en ny klasse enheter tilby funksjoner som samsvarer med eller overgår de av deres kablede eller batteridrevne forløpere. Denne artikkelen beskriver metoder for å (i) implantere kirurgisk og (ii) trådløst drive og kontrollere dette systemet hos voksne rotter. Isjias- og freniske nervemodeller ble valgt som eksempler for å markere allsidigheten til denne tilnærmingen. Papiret viser hvordan det perifere nervegrensesnittet kan fremkalle sammensatte muskelaksjonspotensialer (CMAP), levere en terapeutisk elektrisk stimuleringsprotokoll og innlemme en ledning for reparasjon av perifer nerveskade. Slike enheter tilbyr utvidede behandlingsalternativer for enkeltdose eller gjentatt dose terapeutisk stimulering og kan tilpasses en rekke nervesteder.
Traumatiske perifere nerveskader (PNI) forekommer i USA med en årlig forekomst på ca. 200 000 per år1. De fleste pasienter med PNI sitter igjen med varige funksjonsnedsettelser. I verste fall kan dette resultere i muskellammelse og utløse behandlingsrefraktære nevropatiske smerter så sterke at pasientene er villige til å gjennomgå en lemmeramputasjon som behandling2. Det største hinderet for å forbedre PNI-resultatene er at aksonregenerering er for langsom i forhold til avstandene de må vokse på nytt. For eksempel vokser en voksen menneskelig axon ved 1 mm / dag, men må kanskje regenerere over avstander > 1000 mm i tilfelle en lesjon i en proksimal lem.
I dagens kliniske praksis krever ~ 50% av PNI kirurgisk reparasjon3. For vellykket nerveregenerering må aksoner (i) vokse over lesjonsstedet (dvs. gapkryssing) og deretter (ii) regenerere nedover nervebanen for å nå et endeorganmål (dvs. distal gjenvekst) (figur 1). Det er ingen FDA-godkjente legemidler som har vist seg å akselerere nerveregenerering. Status quo for PNI klinisk ledelse har bare endret seg trinnvis i løpet av de siste tiårene og er begrenset til tekniske forbedringer av kirurgiske metoder som distale motoriske nerveoverføringer for å redusere avstanden regenererende aksoner må reise4, eller “hyllevare” syntetiske nervekanaler for tilfeller der den proksimale nerven trekker seg tilbake og ikke kan sutureres direkte sammenigjen 5. Imidlertid har det vært fire randomiserte kliniske studier på terapeutisk elektrisk stimulering anvendt på nerver postoperativt, som var enkeltsenterstudier ledet av Dr. K. Ming Chan ved University of Alberta som viser betydelig forbedret reinnervasjon av muskel 6,7,8 eller hud9. Det grunnleggende arbeidet for denne elektriske stimuleringsprotokollen ble utført hos gnagere10,11, hvor det er vist at elektrisk stimulering virker spesifikt ved å øke gapkryssingen (figur 1), men ikke distal gjenvekst 12,13,14,15.
Den kirurgiske plasseringen av transkutane ledningselektroder som ble brukt i alle fire randomiserte kliniske studier av elektrisk stimulering var nødvendig fordi effektene avhenger av levering av tilstrekkelig strøm til å depolarisere nevroncellekroppen ved 20 Hz kontinuerlig i 1 time11. I klinisk praksis er denne elektriske stimuleringsprotokollen ikke tolerabel for de fleste pasienter ved intensitetene som kreves via overflatestimulerende elektroder på huden på grunn av smerte. Det er ikke-trivielle risikoer forbundet med å kjøre transkutane elektroder postoperativt, for eksempel dyp sårinfeksjon eller utilsiktet forskyvning av ledninger fra nervene under pasienttransport fra operasjonsstuen (OR). I tillegg er den høye kostnaden for OR-tid i seg selv et disinsentiv mot å prøve det i den innstillingen i stedet for under akutt postoperativ gjenoppretting. En ny klasse trådløse, batterifrie og fullt implanterbare perifere nervegrensesnitt dukker opp for å løse denne mangelen på eksisterende perifere nervegrensesnitt.
Denne nye klassen av trådløse implanterbare elektroniske systemer er klar til å øke brukervennligheten og fleksibiliteten for dosering av elektrisk stimulering og bryte ned barrierene som utelukker den bredere kliniske implementeringen. Denne artikkelen beskriver metoder for å (i) implantere kirurgisk og (ii) trådløst drive og kontrollere dette systemet i voksne modeller av rotteisjias- og freniske nerver. Det viser hvordan det perifere nervegrensesnittet kan fremkalle CMAPs, levere en terapeutisk elektrisk stimuleringsprotokoll, og til og med fungere som en kanal for reparasjon av perifere nerver. Protokollene her kan tilpasses for andre varianter av denne teknologien som kan levere lyspulser for optogenetisk mediert nevromodulering16, kontrollert legemiddelfrigjøring17 eller gjentatte anfall av elektrisk stimulering over tid18,19.
Dette papiret beskriver trinnene i kirurgisk implantasjon og drift av en trådløs, batterifri og fullt implanterbar perifer nervegrensesnitt i rotte isjias- og frenisk nervemodell. Vi demonstrerer hvordan denne nye klassen av biomedisinske implantater kan brukes til å levere et terapeutisk elektrisk stimuleringsparadigme som er vist å forbedre aksonregenerering i prekliniske og kliniske studier (for gjennomgang, se22). Denne protokollen er ukomplisert og kan ekstrapoleres til mindre dyremodeller, for eksempel mus21, samt andre trådløse, batterifrie og fullt implanterbare enheter med funksjonalitet som inkluderer optoelektroniske og mikrofluidiske perifere nervegrensesnitt 18,23,24,25,26,27,28,29,30. Også demonstrert er tilnærmingen ved hjelp av gnagerens isjiasnerve, som er den vanligste eksperimentelle modellen31.
Allsidigheten til denne tilnærmingen har blitt vist når den er tilpasset grensesnitt med phrenic nerve, som sjelden brukes som en modell for perifer nerveskade32, kanskje fordi det er et sterkt underkjent klinisk problem 33,34,35. Frenisk nerveskadediagnose og rehabilitering har blitt et viktig tema under COVID-19-pandemien 36,37,38. Det er foreløpig ukjent om regenerering av freniske aksoner og gjenoppretting fra membranlammelse kan forsterkes av dette korte, lavfrekvente elektriske stimuleringsparadigmet. Imidlertid er frenisk nerve elektrisk stimulering for diafragma muskel pacing et etablert alternativ for respirasjonssvikt hos pasienter med tetraplegi fra høy cervikal ryggmargsskade 39,40,41,42,43. Andre indikasjoner undersøkes, blant annet respiratoravvenning etter kritisk sykdom44.
Flere kritiske trinn bør vektlegges for å sikre god drift av det implanterte systemet. For det første er det viktig å unngå å bruke for mye kraft på de tynne elektroniske komponentene i enhetene når du håndterer dem for å forhindre blyisolasjon, knusing eller brudd. Deretter er det viktig å nøyaktig markere plasseringen av radiofrekvenskrafthøsterspolen på den overliggende huden. For det tredje gir forsiktig justering av overføringsspolen til den eksterne radiofrekvensstrømforsyningen over krafthøsterspolen til den implanterte enheten med en svanehalsklemme stabil drift. Til slutt, for å bekrefte elektrisk stimulering i tillegg til visuell observasjon av muskeltrekk, anbefales periodisk nevrofysiologisk overvåking. Ved den mer komplekse anatomien til nervus phrenic i halsen bidrar elektrofysiologisk bekreftelse til å vise at riktig nerve er isolert (figur 6).
I tillegg til de trådløse, batterifrie elektriske stimulatorene som er vist i denne artikkelen 18,19,21, deler mange andre enheter potensielt de samme prosedyrene. For eksempel, fordi elektroder designet for å implantere til glossopharyngeal og vagus nerver for kronisk å registrere signaler fra sympatiske og parasympatiske nervesystemet 30,45,46 deler et lignende kirurgisk område med phrenic nerve, kan denne protokollen tilpasses for deres implantasjon. Trådløse langsiktige biokompatible stimulatorer for perifere nerver, som ReStore, er gode verktøy for å holde seg på plass og stimulere nerver etter behov 25,47,48,49,50. Relevante flerkanals trådløse opptaksimplantater er også rapportert51. Samlet sett tror vi at disse kirurgiske og elektriske stimuleringsprotokollene kan tilpasses som en standard for alle trådløse perifere nervegrensesnitt relatert til elektrisk stimulering eller opptak.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet brukte NUFAB-anlegget til Northwestern Universitys NUANCE Center, som har mottatt støtte fra SHyNE Resource (NSF ECCS-1542205), IIN og Northwesterns MRSEC-program (NSF DMR-1720139). Dette arbeidet benyttet seg av MatCI-anlegget støttet av MRSEC-programmet fra National Science Foundation (DMR-1720139) ved Materials Research Center of Northwestern University. CK F anerkjenner støtte fra Eunice Kennedy Shriver Institute of Child Health and Human Development av NIH (grant nr. R03HD101090) og American Neuromuscular Foundation (Development Grant). Y.H. anerkjenner støtte fra NSF (tilskudd nr. CMMI1635443). Dette arbeidet ble støttet av 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 |