Este é um protocolo para o implante cirúrgico e operação de uma interface sem fio para nervos periféricos. Demonstramos a utilidade dessa abordagem com exemplos de estimuladores de nervo colocados no nervo ciático ou frênico de ratos.
Interfaces nervosas periféricas são frequentemente usadas em neurociência experimental e medicina regenerativa para uma ampla variedade de aplicações. Tais interfaces podem ser sensores, atuadores ou ambos. Os métodos tradicionais de interface de nervos periféricos devem ser conectados a um sistema externo ou depender da energia da bateria que limita o período de tempo para a operação. Com os recentes desenvolvimentos de interfaces nervosas periféricas sem fio, sem bateria e totalmente implantáveis, uma nova classe de dispositivos pode oferecer recursos que correspondem ou excedem os de seus precursores com fio ou alimentados por bateria. Este trabalho descreve métodos para (i) implantar cirurgicamente e (ii) alimentar e controlar sem fio este sistema em ratos adultos. Os modelos dos nervos isquiático e frênico foram selecionados como exemplos para destacar a versatilidade dessa abordagem. O artigo mostra como a interface nervosa periférica pode evocar potenciais compostos de ação muscular (PAMCs), fornecer um protocolo terapêutico de estimulação elétrica e incorporar um conduto para o reparo da lesão nervosa periférica. Tais dispositivos oferecem opções de tratamento expandidas para estimulação terapêutica em dose única ou dose repetida e podem ser adaptados a uma variedade de localizações nervosas.
As lesões traumáticas dos nervos periféricos (RNPT) ocorrem nos EUA, com incidência anual de aproximadamente 200.000 porano1. A maioria dos pacientes que sofrem RNPT fica com prejuízos funcionais permanentes. Na pior das hipóteses, isso pode resultar em paralisia muscular e desencadear dor neuropática refratária ao tratamento tão intensa que os pacientes estão dispostos a se submeter a uma amputação de membro como tratamento2. O maior obstáculo para melhorar os resultados do PNI é que a regeneração do axônio é muito lenta em relação às distâncias que eles devem recrescer. Por exemplo, um axônio humano adulto cresce a 1 mm/dia, mas pode ter que se regenerar a distâncias >1000 mm no caso de uma lesão em um membro proximal.
Na prática clínica atual, ~50% dos RNPT necessitam de reparo cirúrgico3. Para uma regeneração nervosa bem-sucedida, os axônios devem (i) crescer através do local da lesão (i.e., cruzamento de lacunas) e, em seguida, (ii) regenerar-se ao longo do trajeto do nervo para atingir um alvo de órgão-alvo (i.e., recrescimento distal) (Figura 1). Não há medicamentos aprovados pela FDA comprovadamente para acelerar a regeneração nervosa. O status quo do manejo clínico dos RNPT mudou apenas progressivamente nas últimas décadas e limita-se a refinamentos técnicos de métodos cirúrgicos, como transferências de nervos motores distais para reduzir a distância que os axônios regeneradores devem percorrer4, ou condutos nervosos sintéticos “fora da prateleira” para os casos em que o nervo proximal se retrai e não pode ser diretamente suturado de volta5. No entanto, houve quatro ensaios clínicos randomizados sobre estimulação elétrica terapêutica aplicada a nervos no pós-operatório, que foram estudos unicêntricos liderados pelo Dr. K. Ming Chan na Universidade de Alberta que mostram melhora significativa da reinervação do músculo 6,7,8 ou da pele9. O trabalho fundamental para este protocolo de estimulação elétrica foi realizado emroedores10,11, onde foi demonstrado que a eletroestimulação funciona especificamente por meio do cruzamento de lacunas (Figura 1), mas não do recrescimento distal12,13,14,15.
A colocação cirúrgica dos eletrodos transcutâneos de fio utilizados nos quatro ensaios clínicos randomizados por estimulação elétrica foi necessária, pois seus efeitos dependem da liberação de corrente suficiente para despolarizar o corpo celular do neurônio a 20 Hz continuamente por 1 h11. Na prática clínica, esse protocolo de estimulação elétrica não é tolerável para a maioria dos pacientes nas intensidades necessárias por meio de eletrodos estimuladores de superfície na pele devido à dor. Existem riscos não triviais associados à execução de eletrodos transcutâneos no pós-operatório, como infecção profunda da ferida operatória ou deslocamento acidental de fios dos nervos durante o transporte do paciente da sala de cirurgia (SO). Além disso, o alto custo do tempo de SO em si é um desincentivo para tentar nesse ambiente e não durante a recuperação pós-operatória aguda. Uma nova classe de interfaces nervosas periféricas sem fio, sem bateria e totalmente implantáveis está surgindo para resolver essa deficiência das interfaces nervosas periféricas existentes.
Esta nova classe de sistemas eletrônicos implantáveis sem fio está pronta para aumentar a facilidade e a flexibilidade para a dosagem de estimulação elétrica e quebrar as barreiras que impedem sua implementação clínica mais ampla. Este trabalho descreve métodos para (i) implantar cirurgicamente e (ii) alimentar e controlar sem fio este sistema em modelos adultos de nervo ciático e frênico. Mostra como a interface nervosa periférica pode evocar CMAPs, fornecer um protocolo terapêutico de estimulação elétrica e até mesmo atuar como um conduto para o reparo de nervos periféricos. Os protocolos aqui apresentados podem ser adaptados para outras variantes dessa tecnologia que podem fornecer pulsos de luz para neuromodulação optogenética mediada16, liberação controlada de fármacos17 ou repetidas crises de estimulação elétrica ao longo do tempo18,19.
Este artigo descreve as etapas do implante cirúrgico e operação de interfaces nervosas periféricas sem fio, sem bateria e totalmente implantáveis no modelo dos nervos isquiático e frênico de ratos. Demonstramos como esta nova classe de implantes biomédicos pode ser usada para fornecer um paradigma de estimulação elétrica terapêutica que demonstrou melhorar a regeneração axonal em estudos pré-clínicos e clínicos (para revisão, ver22). Esse protocolo não é complicado e pode ser extrapolado para modelos animais menores, como camundongos21, bem como outros dispositivos sem fio, sem bateria e totalmente implantáveis, com funcionalidade que inclui interfaces nervosas periféricas optoeletrônicas e microfluídicas 18,23,24,25,26,27,28,29,30 . Também é demonstrada a abordagem utilizando o nervo ciático de roedores, que é o modelo experimental maiscomum31.
A versatilidade dessa abordagem tem sido demonstrada quando adaptada para interface com o nervo frênico, que raramente é empregado como modelo de lesão nervosa periférica32, talvez por ser um problema clínico muito pouco reconhecido 33,34,35. O diagnóstico e a reabilitação da lesão do nervo frênico tornaram-se uma questão importante durante a pandemia de COVID-19 36,37,38. Atualmente, não se sabe se a regeneração dos axônios frênicos e a recuperação da paralisia diafragmática podem ser aumentadas por esse breve paradigma de estimulação elétrica de baixa frequência. Entretanto, a estimulação elétrica do nervo frênico para estimulação muscular diafragmática é uma opção estabelecida para insuficiência respiratória em pacientes com tetraplegia decorrente de lesão medular cervical alta 39,40,41,42,43. Outras indicações estão sendo exploradas, incluindo o desmame ventilatório após doença crítica44.
Várias etapas críticas devem ser enfatizadas para garantir o bom funcionamento do sistema implantado. Primeiro, é importante evitar aplicar muita força nos componentes eletrônicos finos dos dispositivos ao manuseá-los para evitar o desisolamento, o torto ou a quebra do chumbo. Em seguida, é importante marcar com precisão a localização da bobina do coletor de energia de radiofrequência na pele sobrejacente. Em terceiro lugar, o alinhamento cuidadoso da bobina de transmissão da fonte de alimentação de radiofrequência externa sobre a bobina do coletor de energia do dispositivo implantado com uma braçadeira de pescoço de ganso permite uma operação estável. Finalmente, para confirmar a estimulação elétrica, além da observação visual das contrações musculares, recomenda-se o monitoramento neurofisiológico periódico. No caso da anatomia mais complexa do nervo frênico no pescoço, a confirmação eletrofisiológica ajuda a demonstrar que o nervo correto foi isolado (Figura 6).
Além dos estimuladores elétricos sem fio e sem bateria mostrados neste trabalho 18,19,21, muitos outros dispositivos potencialmente compartilham os mesmos procedimentos. Por exemplo, como eletrodos projetados para implante nos nervos glossofaríngeo e vago para registrar cronicamente sinais dos sistemas nervosos simpático e parassimpático 30,45,46 compartilham uma área cirúrgica semelhante com o nervo frênico, esse protocolo pode ser adaptado para sua implantação. Estimuladores biocompatíveis sem fio de longa duração para nervos periféricos, como o ReStore, são ótimas ferramentas para permanecer no local e estimular os nervos conforme a necessidade 25,47,48,49,50. Implantes relevantes de gravação sem fio multicanal também foram relatados51. Em geral, acreditamos que esses protocolos de estimulação cirúrgica e elétrica podem ser adaptados como um padrão para toda interface nervosa periférica sem fio relacionada à estimulação elétrica ou gravação.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho utilizou as instalações NUFAB do Centro NUANCE da Northwestern University, que recebeu apoio do SHyNE Resource (NSF ECCS-1542205), do IIN e do programa MRSEC da Northwestern (NSF DMR-1720139). Este trabalho fez uso do MatCI Facility apoiado pelo programa MRSEC da National Science Foundation (DMR-1720139) no Centro de Pesquisa em Materiais da Northwestern University. A C.K.F agradece o apoio do Instituto Eunice Kennedy Shriver de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano do NIH (bolsa nº R03HD101090) e da Fundação Neuromuscular Americana (Bolsa de Desenvolvimento). Y.H. reconhece o apoio da NSF (concessão nº. CMMI1635443). Este trabalho foi apoiado pelo Instituto Querrey Simpson de Bioeletrônica da 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 |