Fabrikation af den sammensatte regenerative perifere nervegrænseflade (C-RPNI) i voksenrotten
Summary
Følgende manuskript beskriver en ny metode til udvikling af et biologisk, lukket kredsløb neurale feedback system kaldes den sammensatte regenerative perifere nerve interface (C-RPNI). Denne konstruktion har evnen til at integrere med perifere nerver til at forstærke brusende motorsignaler og samtidig give afferent sensorisk feedback.
Abstract
Nylige fremskridt inden for neuroproteser har gjort det muligt for dem, der lever med ekstremitettab, at gengive mange funktioner, der er hjemmehørende i den fraværende ende, og dette opnås ofte gennem integration med det perifere nervesystem. Desværre, metoder i øjeblikket anvendes er ofte forbundet med betydelige vævsskader, som forhindrer langvarig brug. Derudover mangler disse enheder ofte nogen meningsfuld grad af sensorisk feedback, da deres komplekse konstruktion dæmper eventuelle vibrationer eller andre fornemmelser, som en bruger tidligere har været afhængig af, når du bruger mere enkle proteser. Den sammensatte regenerative perifere nerveinterface (C-RPNI) blev udviklet som en stabil, biologisk konstruktion med evnen til at forstærke brusende motornervesignaler, samtidig med at den giver samtidig afferent sensorisk feedback. C-RPNI består af et segment af fri dermal og muskeltransplantation sikret omkring et mål blandet sensorimotor nerve, med præferencemotor nerve reinnervation af muskeltransplantatet og sensorisk nerve reinnervation af den afhuden graft. Hos rotter har denne konstruktion vist, at der er opstået et multikolalt muskelfremtonspotentiale, hvilket forstærker målnervens signal fra mikro- til milli-volt-niveauet med et signal til støjforhold i gennemsnit ca. 30-50. Stimulering af den dermale komponent i konstruktionen genererer sammensatte sensoriske nerveactionpotentialer (CsNAPs) ved den proksimale nerve. Som sådan har denne konstruktion lovende fremtidige nytte mod realiseringen af den ideelle, intuitive protese.
Introduction
Ekstremitetsamputationer påvirker næsten 1 ud af 190 amerikanere1, og deres udbredelse forventes at stige fra 1,6 millioner i dag til over 3,6 millioner i 20502. På trods af dokumenteret brug i over et årtusinde, den ideelle protese er endnu ikke realiseret3. I øjeblikket findes der komplekse proteser i stand til flere fælles manipulationer med potentiale til at reproducere mange motoriske funktioner i den indfødte ende4,5. Disse enheder betragtes dog ikke som intuitive, da den ønskede protesebevægelse typisk er funktionelt adskilt fra indgangskontrolsignalet. Brugerne typisk overveje disse “avancerede proteser” vanskeligt at lære og derfor ikke egnet til daglig brug1,6. Derudover giver komplekse proteser, der i øjeblikket er på markedet, ikke nogen nævneværdig grad af subtil sensorisk feedback for tilstrækkelig kontrol. Følelsen af berøring og proprioception er afgørende for at udføre daglige opgaver, og uden disse, simple handlinger såsom picking up en kop kaffe bliver byrdefuld, da det er helt afhængig af visuelle signaler7,8,9. Af disse grunde er avancerede proteser forbundet med en betydelig grad af mental træthed og beskrives ofte som byrdefulde og utilfredsstillende5,10,11. For at løse dette, nogle forskningslaboratorier har udviklet proteser i stand til at give en begrænset grad af sensorisk feedback via direkte neurale interaktion12,13,14,15, men feedback er ofte begrænset til små, spredte områder på hænder og fingre12,13, og fornemmelser blev bemærket at være smertefulde og unaturlige til tider15. Mange af disse undersøgelser mangler desværre enhver mærkbar langsigtet opfølgning og nervehistologi til at afgrænse lokale vævseffekter, samtidig med at der bemærkes interface svigt på omfanget af uger til måneder16.
For denne population, ville den ideelle protese enhed give high fidelity motor kontrol sammen med meningsfuld somatosensorisk feedback fra den enkeltes miljø i hele deres levetid. Afgørende for udformningen af nævnte ideelle protese er udviklingen af en stabil, pålidelig grænseflade, der ville give mulighed for samtidig transmission af afferent somatosensoriske oplysninger med brusende motorsignaler. Den mest lovende af de nuværende menneske-maskine grænseflader er dem, der interagerer med det perifere nervesystem direkte, og den seneste udvikling inden for neuro-integrerede proteser har arbejdet hen imod at bygge bro over kløften mellem bioelektriske og mekaniske signaler17. Nuværende grænseflader udnyttet omfatter: fleksible nerveplader14,15,18, ekstra-neurale manchet elektroder13,19,20,21,22,23, væv gennemtrængende elektroder24,25,31,32, og intrafascicular elektroder26,27 ,28. Men hver af disse metoder har vist begrænsninger med hensyn til nerve specificitet, vævskade, axonal degeneration, myelin udtynding, og / eller arvæv dannelse forbundet med kronisk iboende fremmedlegeme respons16,17,18,19. For nylig, Det er blevet postuleret, at en driver bag eventuel implanteret elektrode fiasko er den betydelige forskel i Young’s moduli mellem elektronisk materiale og indfødte neurale væv. Hjernevæv er genstand for betydelig mikromotion på daglig basis, og det er blevet toretiseret, at forskydningsstress forårsaget af forskelle i Young’s moduli forårsager betændelse og eventuel permanent ardannelse30,31,32. Denne effekt er ofte forværret i ekstremiteterne, hvor perifere nerver er underlagt både fysiologiske mikrograder og forsætlig ekstremitet makromotion. På grund af denne konstante bevægelse, er det rimeligt at konkludere, at udnyttelsen af en helt abiotisk perifer nerve interface ikke er ideel, og en grænseflade med en biologisk komponent ville være mere egnet.
For at løse dette behov for en biologisk komponent, vores laboratorium udviklet en biotisk nerve interface kaldet Regenerative Perifernerve Interface (RPNI) til at integrere transected perifere nerver i en resterende lemmer med en protese enhed. RPNI fabrikation indebærer kirurgisk implantering af en perifer nerve i en autolog fri muskeltransplantation, som efterfølgende revaskuulariserer og reinnervates. Vores laboratorium har udviklet denne biologiske nerve interface i løbet af det seneste årti, med succes med at forstærke og sende motorsignaler, når det kombineres med implanterede elektroder i både dyre-og menneskelige forsøg, giver mulighed for passende protese kontrol med flere grader af frihed2,34. Derudover har vi separat demonstreret sensorisk feedback gennem brug af perifere nerver indlejret i dermal grafts, benævnt Dermal Sensory Interface (DSI)3,35. I mere distale amputationer, ved hjælp af disse konstruktioner samtidig er muligt som motor og sensoriske fascicles inden for målet perifere nerve kan kirurgisk adskilt. Men for mere proksimale niveau amputationer, dette er ikke muligt på grund af sammenblanding af motor iske og sensoriske fibre. Den sammensatte regenerative perifere nerveinterface (C-RPNI) blev udviklet til mere proksimale amputationer, og det indebærer implantering af en blandet sensorimotor nerve i en konstruktion bestående af gratis muskeltransplantation fastgjort til et segment af dermal graft (Figur 1). Perifere nerver demonstrere præference målrettet reinnervation, således sensoriske fibre vil re-innervate den dermal graft og motorfibre, muskeltransplantatet. Denne konstruktion har således evnen til samtidig at forstærke motorsignaler og samtidig give somatosensorisk feedback36 (Figur 2), der giver mulighed for realiseringen af den ideelle, intuitive, komplekse protese.
Protocol
Representative Results
Discussion
C-RPNI er en ny konstruktion, der giver samtidig forstærkning af et mål nerve motor brusende signaler med levering af afferent sensorisk feedback. Især C-RPNI har unikke nytte for dem, der lever med proksimale amputationer som deres motor og sensoriske fascicles kan ikke let adskilles mekanisk under operationen. I stedet c-RPNI udnytter den iboende præference reinnervation egenskaber af nerven selv at tilskynde sensoriskfiber reinnervation til afhuden sensoriske ende organer og motorfibre til neuromuskulære vejkryds…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Jana Moon for ekspert teknisk bistand. Undersøgelser fremlagt i dette dokument blev finansieret gennem et R21 (R21NS104584) tilskud til SK.
Materials
| #15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
| 4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 6-0 Ethilon Suture | Ethicon | SKU# 697G | P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture) |
| 8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
| Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
| Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
| Micro Motor High Speed Drill with Stone | Master Mechanic | Model 151369 | Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones |
| Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
| Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
| Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
| Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
| Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
| Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
| Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
| Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
| VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
| Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |
Referências
- Biddiss, E. A., Chau, T. T. Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years. Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).
- Kung, T. A., et al. Regenerative peripheralnerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
- Larson, J. V., et al. Prototype Sensory Regenerative Peripheral Nerve Interface for Artificial Limb Somatosensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (3 Suppl), 26-27 (2014).
- Hijjawi, J. B., et al. Improved myoelectric prosthesis control accomplished using multiple nerve transfers. Plastic and Reconstructive Surgery. 118 (7), 1573-1578 (2006).
- Pylatiuk, C., Schulz, S., Döderlein, L. Results of an Internet survey of myoelectric prosthetic hand users. Prosthetics and Orthotics International. 31 (4), 362-370 (2007).
- Baghmanli, Z., et al. Biological and electrophysiologic effects of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on regenerating peripheral nerve fibers. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (2), 374-385 (2013).
- Dhillon, G. S., Horch, K. W. Direct neural sensory feedback and control of a prosthetic arm. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 13 (4), 468-472 (2005).
- Romo, R., Hernández, A., Zainos, A., Salinos, E. Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation. Nature. 392, 387-390 (1998).
- O’Doherty, J., et al. Active tactile exploration using a brain-machine-brain interface. Nature. 479, 228-231 (2011).
- Stein, R. B., Walley, M. Functional comparison of upper extremity amputees using myoelectric and conventional prostheses. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 64 (6), 243-248 (1983).
- Millstein, S. G., Heger, H., Hunter, G. A. Prosthetic Use in Adult Upper Limb Amputees: A Comparison of the Body Powered and Electrically Powered Prostheses. Prosthetics and Orthotics International. 10 (1), 27-34 (1986).
- Zollo, L., et al. Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands. Science Robotics. 4 (27), eaau9924 (2019).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. Science Translational Medicine. 6 (257), 257ra138 (2014).
- Stieglitz, T., et al. On Biocompatibility and Stability of Transversal Intrafascicular Multichannel Electrodes-TIME. Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation II. 15, 731-735 (2017).
- Petrini, F. M., et al. Six-months assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 85 (1), 137-154 (2019).
- Jung, R., Abbas, J., Kuntaegowdanahalli, S., Thota, A. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2018).
- Micera, S., Navarro, X., Yoshida, K. Interfacing With the Peripheral Nervous System to Develop Innovative Neuroprostheses. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17 (5), 417-419 (2009).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
- Polasek, K. H., Hoyen, H. A., Keith, M. W., Tyler, D. J. Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).
- Nielson, K. D., Watts, C., Clark, W. K. Peripheral nerve injury from implantation of chronic stimulating electrodes for pain control. Surgical Neurology. 5 (1), 51-53 (1976).
- Waters, R. L., McNeal, D. R., Faloon, W., Clifford, B. Functional electrical stimulation of the peroneal nerve for hemiplegia. Long-term clinical follow-up. Journal of Bone and Joint Surgery. 67 (5), 792-793 (1985).
- Larsen, J. O., Thomsen, M., Haugland, M., Sinkjaer, T. Degeneration and regeneration in rabbit peripheral nerve with long-term nerve cuff electrode implant: a stereological study of myelinated and unmyelinated axons. Acta Neuropathologica. 96 (4), 365-378 (1998).
- Krarup, C., Loeb, G. E., Pezeshkpour, G. H. Conduction studies in peripheral cat nerve using implanted electrodes: III. The effects of prolonged constriction on the distal nerve segment. Muscle Nerve. 12 (11), 915-928 (1989).
- Micera, S., Navarro, X. Bidirectional interfaces with the peripheral nervous system. International Review of Neurobiology. 86, 23-38 (2009).
- Urbanchek, M. G., et al. Microscale Electrode Implantation during Nerve Repair: Effects on Nerve Morphology, Electromyography, and Recovery of Muscle Contractile Function. Plastic and Reconstructive Surgery. 128 (4), 270e-278e (2011).
- Yoshida, K., Horch, K. Selective stimulation of peripheral nerve fibers using dual intrafascicular electrodes. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 40 (5), 492-494 (1993).
- Branner, A., Stein, R. B., Normann, R. A. Selective stimulation of cat sciatic nerve using an array of varying length microelectrodes. Journal of Neurophysiology. 85 (4), 1585-1594 (2001).
- Zheng, X. J., Zhang, J., Chen, T., Chen, Z. Longitudinally implanted intrascicular electrodes for stimulating and recording fascicular physioelectrical signals in the sciatic nerve of rabbits. Microsurgery. 23, 268-273 (2003).
- del Valle, J., Navarro, X. Interfaces with the peripheral nerve for the control of neuroprostheses. International Review of Neurobiology. 109, 63-83 (2013).
- Stiller, A. M., et al. A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
- Hanson, T., Diaz-Botia, C., Kharazia, V., Maharbiz, M., Sabes, P. The “sewing machine” for minimally invasive neural recording. bioRxiv. , (2019).
- Yang, X., et al. Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials. 18, 510-517 (2019).
- Irwin, Z. T., et al. Chronic recording of hand prosthesis control signals via a regenerative peripheral nerve interface in a rhesus macaque. Journal of Neural Engineering. 13 (4), 046007 (2016).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract 24: Successful Control of Virtual and Robotic Hands using Neuroprosthetic Signals from Regenerative Peripheral Nerve Interfaces in a Human Subject. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 6 (4), 19-20 (2018).
- Sando, I. C., et al. Dermal-Based Peripheral Nerve Interface for Transduction of Sensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 136 (4 Suppl), 19-20 (2015).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract 36: Viability and Signal Transduction with the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI). Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4), 26-27 (2019).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract QS18: Neural Signal Transduction with the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4 Suppl), 114 (2019).
- Woo, S. L., et al. Utilizing nonvascularized partial skeletal muscle grafts in peripheral nerve interfaces for prosthetic control. Journal of the American College of Surgeons. 219 (4), e136-e137 (2014).
- Sporel-Özakat, R. E., Edwards, P. M., Hepgul, K. T., Savas, A., Gispen, W. H. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2-3), 263-265 (1991).
- Carr, M. M., Best, T. J., Mackinnon, S. E., Evans, P. J. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).
