Detta är ett protokoll för kirurgisk implantation och drift av ett trådlöst drivet gränssnitt för perifera nerver. Vi demonstrerar användbarheten av detta tillvägagångssätt med exempel från nervstimulatorer placerade på antingen råttischiasnerven eller frenisnerven.
Perifera nervgränssnitt används ofta inom experimentell neurovetenskap och regenerativ medicin för en mängd olika tillämpningar. Sådana gränssnitt kan vara sensorer, ställdon eller båda. Traditionella metoder för perifer nervgränssnitt måste antingen vara bundna till ett externt system eller förlita sig på batterikraft som begränsar tidsramen för drift. Med den senaste utvecklingen av trådlösa, batterifria och helt implanterbara perifera nervgränssnitt kan en ny klass av enheter erbjuda funktioner som matchar eller överträffar deras trådbundna eller batteridrivna prekursorer. Denna artikel beskriver metoder för att (i) operera in och (ii) trådlöst driva och kontrollera detta system hos vuxna råttor. Ischias- och frenisnervsmodellerna valdes ut som exempel för att belysa mångsidigheten i detta tillvägagångssätt. Artikeln visar hur det perifera nervgränssnittet kan framkalla sammansatta muskelaktionspotentialer (CMAP), leverera ett terapeutiskt elektriskt stimuleringsprotokoll och införliva en ledning för reparation av perifer nervskada. Sådana enheter erbjuder utökade behandlingsalternativ för terapeutisk stimulering med engångsdos eller upprepad dosering och kan anpassas till en mängd olika nervplatser.
Traumatiska perifera nervskador (PNI) förekommer i USA med en årlig incidens på cirka 200 000 per år1. De flesta patienter som drabbas av PNI får bestående funktionsnedsättningar. I värsta fall kan detta leda till muskelförlamning och utlösa behandlingsrefraktär neuropatisk smärta som är så svår att patienterna är villiga att genomgå en amputation av extremiteterna som behandling2. Det största hindret för att förbättra PNI-resultaten är att axonregenereringen är för långsam i förhållande till de avstånd de måste växa igen. Till exempel växer ett vuxet mänskligt axon med 1 mm/dag men kan behöva regenerera över avstånd >1000 mm vid en lesion i en proximal extremitet.
I nuvarande klinisk praxis kräver ~50 % av PNI:erna kirurgisk reparation3. För framgångsrik nervregenerering måste axoner (i) växa över lesionsstället (dvs. gapkorsning) och sedan (ii) regenerera längs nervbanan för att nå ett mål för slutorganet (dvs. distal återväxt) (Figur 1). Det finns inga FDA-godkända läkemedel som visat sig påskynda nervregenerering. Status quo för PNI:s kliniska hantering har endast förändrats stegvis under de senaste decennierna och är begränsad till tekniska förbättringar av kirurgiska metoder såsom distala motoriska nervöverföringar för att minska avståndet som regenererande axoner måste färdas4, eller syntetiska nervledningar “från hyllan” för fall där den proximala nerven dras tillbaka och inte direkt kan sys ihop igen5. Det har dock gjorts fyra randomiserade kliniska prövningar på terapeutisk elektrisk stimulering applicerad på nerver postoperativt, som var enkelcenterstudier ledda av Dr. K. Ming Chan vid University of Alberta som visar signifikant förbättrad reinnervering av muskel 6,7,8 eller hud9. Det grundläggande arbetet för detta elektriska stimuleringsprotokoll utfördes på gnagare10,11, där det har visats att elektrisk stimulering fungerar specifikt genom att förbättra gap crossing (Figur 1) men inte distal återväxt 12,13,14,15.
Den kirurgiska placeringen av transkutana trådelektroder som användes i alla fyra randomiserade kliniska prövningar med elektrisk stimulering var nödvändig eftersom dess effekter beror på leveransen av tillräcklig ström för att depolarisera neuroncellkroppen vid 20 Hz kontinuerligt i 1 timme11. I klinisk praxis är detta elektriska stimuleringsprotokoll inte tolerabelt för de flesta patienter vid de intensiteter som krävs via ytstimulerande elektroder på huden på grund av smärta. Det finns icke-triviala risker förknippade med att köra transkutana elektroder postoperativt, såsom djup sårinfektion eller oavsiktlig förskjutning av ledningar från nerverna under patienttransport från operationssalen (OR). Dessutom är den höga kostnaden för operationstid i sig ett hinder för att försöka i den miljön snarare än under akut postoperativ återhämtning. En ny klass av trådlösa, batterifria och helt implanterbara perifera nervgränssnitt växer fram för att ta itu med denna brist i befintliga perifera nervgränssnitt.
Denna nya klass av trådlösa implanterbara elektroniska system är redo att öka enkelheten och flexibiliteten för elektrisk stimuleringsdosering och bryta ner de barriärer som förhindrar en bredare klinisk implementering. Denna artikel beskriver metoder för att (i) kirurgiskt implantera och (ii) trådlöst driva och kontrollera detta system i vuxna råttischias- och freninnervsmodeller. Den visar hur det perifera nervgränssnittet kan framkalla CMAP, leverera ett terapeutiskt elektriskt stimuleringsprotokoll och till och med fungera som en kanal för reparation av perifera nerver. Protokollen här kan anpassas för andra varianter av denna teknik som kan leverera ljuspulser för optogenetisk medierad neuromodulering16, kontrollerad läkemedelsfrisättning17 eller upprepade anfall av elektrisk stimulering över tid18,19.
Denna artikel beskriver stegen i den kirurgiska implantationen och driften av ett trådlöst, batterifritt och helt implanterbart perifert nervgränssnitt i råttischias- och frenisnervsmodellen. Vi visar hur denna nya klass av biomedicinska implantat kan användas för att leverera ett terapeutiskt elektriskt stimuleringsparadigm som visat sig förbättra axonregenerering i prekliniska och kliniska studier (för granskning, se22). Detta protokoll är okomplicerat och kan extrapoleras till mindre djurmodeller, såsom möss21, såväl som andra trådlösa, batterifria och helt implanterbara enheter med funktionalitet som inkluderar optoelektroniska och mikrofluidiska perifera nervgränssnitt 18,23,24,25,26,27,28,29,30. Metoden med ischiasnerven hos gnagare demonstreras också, vilket är den vanligaste experimentella modellen31.
Mångsidigheten i detta tillvägagångssätt har visat sig när det är anpassat för att samverka med frenusnerven, som sällan används som modell för perifer nervskada32, kanske för att det är ett mycket underkänt kliniskt problem 33,34,35. Diagnos och rehabilitering av freniska nervskador har blivit en viktig fråga under covid-19-pandemin 36,37,38. Det är för närvarande okänt om regenerering av freniska axoner och återhämtning från diafragmaförlamning kan förstärkas av detta korta, lågfrekventa elektriska stimuleringsparadigm. Emellertid är frenisk nervelektrisk stimulering för stimulering av diafragmamuskeln ett etablerat alternativ för andningssvikt hos patienter med tetraplegi från hög cervikal ryggmärgsskada 39,40,41,42,43. Andra indikationer undersöks, bland annat avvänjning i respirator efter kritisk sjukdom44.
Flera kritiska steg bör betonas för att säkerställa att det implanterade systemet fungerar väl. För det första är det viktigt att undvika att applicera för mycket kraft på de tunna elektroniska komponenterna i enheterna när du hanterar dem för att förhindra blyavisolering, veck eller brott. Därefter är det viktigt att noggrant markera platsen för radiofrekvensskördarspolen på den överliggande huden. För det tredje, noggrann inriktning av transmissionsspolen på den externa radiofrekvensströmförsörjningen över kraftskördarspolen på den implanterade enheten med en svanhalsklämma möjliggör stabil drift. Slutligen, för att bekräfta elektrisk stimulering utöver visuell observation av muskelryckningar, rekommenderas periodisk neurofysiologisk övervakning. När det gäller den mer komplexa anatomin hos frenusnerven i nacken hjälper elektrofysiologisk bekräftelse till att visa att rätt nerv har isolerats (Figur 6).
Förutom de trådlösa, batterifria elektriska stimulatorerna som visas i detta dokument 18,19,21, delar många andra enheter potentiellt samma procedurer. Till exempel, eftersom elektroder som är utformade för att implantera på glossofaryngeal- och vagusnerverna för att kroniskt registrera signaler från sympatiska och parasympatiska nervsystem 30,45,46 delar ett liknande kirurgiskt område med frenisnerven, kan detta protokoll anpassas för deras implantation. Trådlösa långsiktiga biokompatibla stimulatorer för perifera nerver, som ReStore, är utmärkta verktyg för att hålla sig på plats och stimulera nerver efter behov 25,47,48,49,50. Relevanta flerkanaliga trådlösa inspelningsimplantat har också rapporterats51. Sammantaget tror vi att dessa kirurgiska och elektriska stimuleringsprotokoll kan anpassas som en standard för alla trådlösa perifera nervgränssnitt relaterade till elektrisk stimulering eller inspelning.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete använde NUFAB-anläggningen vid Northwestern Universitys NUANCE Center, som har fått stöd från SHyNE-resursen (NSF ECCS-1542205), IIN och Northwesterns MRSEC-program (NSF DMR-1720139). Detta arbete använde sig av MatCI-faciliteten som stöds av MRSEC-programmet från National Science Foundation (DMR-1720139) vid Materials Research Center vid Northwestern University. C.K.F bekräftar stöd från Eunice Kennedy Shriver Institute of Child Health and Human Development vid NIH (anslag nr R03HD101090) och American Neuromuscular Foundation (utvecklingsbidrag). Y.H. bekräftar stöd från NSF (anslag nr. CMMI1635443). Detta arbete stöddes av Querrey Simpson Institute for Bioelectronics vid 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 |