Fabbricazione dell'interfaccia nervo periferica rigenerativa composita (C-RPNI) nel ratto adulto
Summary
Il seguente manoscritto descrive un nuovo metodo per lo sviluppo di un sistema biologico di feedback neurale a circuito chiuso chiamato interfaccia nervo periferica rigenerativa composita (C-RPNI). Questo costrutto ha la capacità di integrarsi con i nervi periferici per amplificare i segnali motori efferenti, fornendo allo stesso tempo un feedback sensoriale afferente.
Abstract
Recenti progressi nella neuroprotesi hanno permesso a coloro che vivono con perdita di estremità di riprodurre molte funzioni native all’estremità assente, e questo è spesso realizzato attraverso l’integrazione con il sistema nervoso periferico. Purtroppo, i metodi attualmente impiegati sono spesso associati a danni significativi ai tessuti che impediscono un uso prolungato. Inoltre, questi dispositivi spesso mancano di alcun grado significativo di feedback sensoriale in quanto la loro costruzione complessa smorza eventuali vibrazioni o altre sensazioni da cui un utente potrebbe aver precedentemente dipeso quando utilizza protesi più semplici. L’interfaccia nervo periferica rigenerativa composita (C-RPNI) è stata sviluppata come costrutto biologico stabile con la capacità di amplificare i segnali nervomotori efferenti, fornendo al contempo un feedback sensoriale afferente simultaneo. Il C-RPNI è costituito da un segmento di innesto dermico e muscolare libero fissato intorno a un bersaglio nervoso sensoriale misto, con reinnervazione del nervo motorio preferenziale dell’innesto muscolare e reinnervazione del nervo sensoriale dell’innesto dermico. Nei ratti, questo costrutto ha dimostrato la generazione di potenziali di azione muscolare composti (CMAP), amplificando il segnale del nervo bersaglio dal livello di micro- mill-volt, con rapporti segnale-rumore in media circa 30-50. La stimolazione del componente dermico del costrutto genera potenziali composti di azione nervosa sensoriale (CSTR) al nervo prossimale. Come tale, questo costrutto ha promesso utilità futura verso la realizzazione della protesi ideale e intuitiva.
Introduction
Le amputazioni dell’estremità interessano quasi 1 su 190 americani1e si prevede che la loro prevalenza aumenterà da 1,6 milioni attuali a oltre 3,6 milioni entro il 20502. Nonostante l’uso documentato per oltre un millennio, la protesi ideale deve ancora essere realizzata3. Attualmente, esistono protesi complesse in grado di molteplici manipolazioni articolari con il potenziale di riprodurre molte funzioni motorie dell’estremità nativa4,5. Tuttavia, questi dispositivi non sono considerati intuitivi in quanto il movimento protesico desiderato è in genere funzionalmente separato dal segnale di controllo di ingresso. Gli utenti in genere considerano queste “protesi avanzate” difficili da imparare e quindi non adatte per l’uso quotidiano1,6. Inoltre, protesi complesse attualmente sul mercato non forniscono alcun grado apprezzabile di sottile feedback sensoriale per un controllo adeguato. Il senso del tatto e della propriocezione sono fondamentali per svolgere le attività quotidiane, e senza questi, semplici atti come raccogliere una tazza di caffè diventano gravosi in quanto si basa interamente su segnali visivi7,8,9. Per questi motivi, le protesi avanzate sono associate a un significativo grado di stanchezza mentale e sono spesso descritte come gravose e insoddisfacenti5,10,11. Per affrontare questo problema, alcuni laboratori di ricerca hanno sviluppato protesi in grado di fornire un limitato grado di feedback sensoriale tramite interazione neurale diretta12,13,14,15, ma il feedback è spesso limitato a piccole aree sparse sulle mani e sulle dita12,13, e le sensazioni sono state notate per essere dolorose e innaturali a volte15. Molti di questi studi purtroppo mancano di un notevole follow-up a lungo termine e dell’istologia dei nervi per delineare gli effetti dei tessuti locali, notando al contempo il fallimento dell’interfaccia sulla scala da settimane a mesi16.
Per questa popolazione, il dispositivo protesico ideale fornirebbe un controllo motorio ad alta fedeltà insieme a un feedback somatosensoriale significativo dall’ambiente dell’individuo per tutta la vita. Critico per la progettazione di tale protesi ideale è lo sviluppo di un’interfaccia stabile e affidabile che consentirebbe la trasmissione simultanea di informazioni somatosensoriali afferenti con segnali motori efferenti. Le attuali interfacce uomo-macchina sono quelle che interagiscono direttamente con il sistema nervoso periferico, e i recenti sviluppi nel campo delle protesi neuro-integrate hanno lavorato per colmare il divario tra segnali bioelettrici e meccanici17. Le interfacce attuali utilizzate includono: piastre nervose flessibili14,15,18, colidi anti-neuralielettrodi 13,19,20,21,22,23, elettrodi penetranti di tessuto24,25,31,32, ed elettrodi intrafascicolari26,27 ,28. Tuttavia, ognuno di questi metodi ha dimostrato limitazioni per quanto riguarda la specificità del nervo, lesione dei tessuti, la degenerazione assonale, l’esaurimento della mielina e/o la formazione di tessuto cicatriziale associati alla risposta cronica del corpo estraneo16,17,18,19. Più recentemente, è stato ipotizzato che un fattore alla base dell’eventuale insufficienza degli elettrodi impiantati sia la differenza significativa nella modulizzazione di Young tra materiale elettronico e tessuto neurale nativo. Il tessuto cerebrale è soggetto a micromozione significativa su base giornaliera, ed è stato teorizzato che lo stress da taglio indotto dalle differenze nella forma di Young provoca infiammazione ed eventuali cicatrici permanenti30,31,32. Questo effetto è spesso aggravato nelle estremità, dove i nervi periferici sono soggetti sia alla micromozione fisiologica che alla macromozione intenzionale dell’estremità. A causa di questo movimento costante, è ragionevole concludere che l’utilizzo di un’interfaccia nervosa periferica completamente abiotica non è l’ideale, e un’interfaccia con una componente biologica sarebbe più adatta.
Per rispondere a questa necessità di una componente biologica, il nostro laboratorio ha sviluppato un’interfaccia nervosa biotica definita Regenerative Peripheral Nerve Interface (RPNI) per integrare i nervi periferici transecpati in un arto residuo con un dispositivo protesico. La fabbricazione di RPNI comporta l’impiantazione chirurgica di un nervo periferico in un innesto muscolare muscolare libero autologo, che successivamente si riscolla e reinnervanti. Il nostro laboratorio ha sviluppato questa interfaccia nervosa biologica negli ultimi dieci anni, con successo nell’amplificare e trasmettere segnali motori quando combinato con elettrodi impiantati in prove sia animali che umane, consentendo un adeguato controllo protesico con molteplici gradi di libertà2,34. Inoltre, abbiamo dimostrato separatamente il feedback sensoriale attraverso l’uso di nervi periferici incorporati in innesti dermici, chiamato Dermal Sensory Interface (DSI)3,35. Nelle amputazioni più distali, l’utilizzo simultaneo di questi costrutti è fattibile in quanto i fascicoli motori e sensoriali all’interno del nervo periferico bersaglio possono essere separati chirurgicamente. Tuttavia, per amputazioni di livello più prossimale, questo non è fattibile a causa della mescolanza di fibre motorie e sensoriali. La Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI) è stata sviluppata per amputazioni più prossimali, e comporta l’impiantamento di un nervo sensoriale-motorio misto in un costrutto costituito da innesto muscolare libero fissato ad un segmento di innesto dermico (Figura 1). I nervi periferici dimostrano una reinnervazione mirata preferenziale, quindi le fibre sensoriali riinnerizzeranno l’innesto dermico e le fibre motorie, l’innesto muscolare. Questo costrutto ha così la capacità di amplificare contemporaneamente i segnali motori fornendo un feedback somatosensoriale36 (Figura 2),consentendo la realizzazione della protesi ideale, intuitiva e complessa.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il C-RPNI è un nuovo costrutto che fornisce l’amplificazione simultanea dei segnali motori di un nervo bersaglio con fornitura di feedback sensoriale afferente. In particolare, il C-RPNI ha un’utilità unica per coloro che vivono con amputazioni prossimali in quanto i loro fascicoli motori e sensoriali non possono essere facilmente separati meccanicamente durante l’intervento chirurgico. Invece, il C-RPNI utilizza le proprietà di reinnervazione preferenziale intrinseche del nervo stesso per incoraggiare la reinnervazio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare Jana Moon per l’assistenza tecnica esperta. Gli studi presentati in questo documento sono stati finanziati attraverso una sovvenzione R21 (R21NS104584) a 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 |
References
- 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).
