Fabricación de la interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta (C-RPNI) en la rata adulta
Summary
El siguiente manuscrito describe un método novedoso para desarrollar un sistema de retroalimentación neuronal biológico de bucle cerrado llamado la interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta (C-RPNI). Esta construcción tiene la capacidad de integrarse con los nervios periféricos para amplificar las señales motoras eferentes mientras que al mismo tiempo proporciona una retroalimentación sensorial aferente.
Abstract
Los recientes avances en neuroprótesis han permitido a quienes viven con pérdida de extremidades reproducir muchas funciones nativas de la extremidad ausente, y esto a menudo se logra a través de la integración con el sistema nervioso periférico. Desafortunadamente, los métodos actualmente empleados se asocian a menudo con daños importantes en los tejidos que impiden el uso prolongado. Además, estos dispositivos a menudo carecen de cualquier grado significativo de retroalimentación sensorial, ya que su construcción compleja amortigua cualquier vibración u otras sensaciones de las que un usuario pueda haber dependido anteriormente al usar prótesis más simples. La interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta (C-RPNI) fue desarrollada como una construcción biológica estable con la capacidad de amplificar las señales nerviosas del motor eferente mientras proporciona retroalimentación sensorial aferente simultánea. El C-RPNI consiste en un segmento de injerto dérmico y muscular libre asegurado alrededor de un nervio sensorimotor mixto objetivo, con reinnervación del nervio motor preferencial del injerto muscular y reinnervación del nervio sensorial del injerto dérmico. En ratas, esta construcción ha demostrado la generación de potencial estridebidos de acción muscular compuesta (CMAP), amplificando la señal del nervio objetivo desde el nivel de micro a mil voltios, con relaciones señal-ruido promediando aproximadamente 30-50. La estimulación del componente dérmico de la construcción genera potenciales de acción nerviosa sensorial compuesta (CSP) en el nervio proximal. Como tal, esta construcción tiene una utilidad futura prometedora para la realización de la prótesis ideal e intuitiva.
Introduction
Las amputaciones de extremidades afectan a casi 1 de cada 190 estadounidenses1, y se prevé que su prevalencia aumente de 1,6 millones hoy a más de 3,6 millones para 20502. A pesar del uso documentado durante más de un milenio, la prótesis ideal aún no se ha realizado3. Actualmente existen prótesis complejas capaces de múltiples manipulaciones articulares con el potencial de reproducir muchas funciones motoras de la extremidad nativa4,5. Sin embargo, estos dispositivos no se consideran intuitivos, ya que el movimiento protésico deseado suele estar separado funcionalmente de la señal de control de entrada. Los usuarios suelen considerar estas “prótesis avanzadas” difíciles de aprender y por lo tanto no son adecuados para el uso diario1,6. Además, las prótesis complejas actualmente en el mercado no proporcionan ningún grado apreciable de retroalimentación sensorial sutil para un control adecuado. El sentido del tacto y la propriocepción son vitales para llevar a cabo las tareas diarias, y sin éstas, actos simples como recoger una taza de café se vuelven gravosos ya que se basa enteramente en señales visuales7,8,9. Por estas razones, prótesis avanzadas se asocian con un grado significativo de fatiga mental y a menudo se describen como gravosas e insatisfactorias5,10,11. Para hacer frente a esto, algunos laboratorios de investigación han desarrollado prótesis capaces de proporcionar un grado limitado de retroalimentación sensorial a través de la interacción neuronal directa12,13,14,15, pero la retroalimentación a menudo se limita a pequeñas áreas dispersas en las manos y los dedos12,13, y las sensaciones se notaron para ser dolorosas y antinaturales a veces15. Muchos de estos estudios desafortunadamente carecen de cualquier seguimiento apreciable a largo plazo y histología nerviosa para delinear los efectos del tejido local, mientras que la observación de fallo de la interfaz en la escala de semanas a meses16.
Para esta población, el dispositivo protésico ideal proporcionaría un control motor de alta fidelidad junto con una retroalimentación somatosensorial significativa del entorno del individuo a lo largo de su vida útil. Crítico para el diseño de dicha prótesis ideal es el desarrollo de una interfaz estable y confiable que permita la transmisión simultánea de información somatosensorial aferente con señales motoras eferentes. Las interfaces hombre-máquina más prometedoras son las que interactúan directamente con el sistema nervioso periférico, y los recientes desarrollos en el campo de las prótesis neurointegradas han trabajado para salvar la brecha entre las señales bioeléctricas y mecánicas17. Las interfaces actuales utilizadas incluyen: placas nerviosas flexibles14,15,18, electrodos de manguito extraneurales13,19,20,21,22,23, electrodos penetrantes de tejido24,25,31,32,y electrodos intrafasciculares26,27 ,28. Sin embargo, cada uno de estos métodos ha demostrado limitaciones con respecto a la especificidad nerviosa, lesión tisular, degeneración axonal, agotamiento de mielina y/o formación de tejido cicatricial asociado con la respuesta crónica del cuerpo extraño residente16,17,18,19. Más recientemente, se ha postulado que un conductor detrás de una eventual falla de electrodo implantado es la diferencia significativa en los módulos de Young entre el material electrónico y el tejido neural nativo. El tejido cerebral está sujeto a una micromoción significativa a diario, y se ha teorizado que el estrés de cizallamiento inducido por las diferencias en los módulos de Young causa inflamación y cicatrices permanentes eventuales30,31,32. Este efecto a menudo se compone en las extremidades, donde los nervios periféricos están sujetos a micromoción fisiológica y macromoción intencional de las extremidades. Debido a este movimiento constante, es razonable concluir que la utilización de una interfaz de nervio periférico completamente abiótico no es ideal, y una interfaz con un componente biológico sería más adecuada.
Para hacer frente a esta necesidad de un componente biológico, nuestro laboratorio desarrolló una interfaz nerviosa biótica conlanada interfaz nerviosa periférica regenerativa (RPNI) para integrar los nervios periféricos transectos en una extremidad residual con un dispositivo protésico. La fabricación de RPNI consiste en implantar quirúrgicamente un nervio periférico en un injerto muscular libre autólogo, que posteriormente revasculariza y reinnerva. Nuestro laboratorio ha desarrollado esta interfaz nerviosa biológica en la última década, con éxito en la amplificación y transmisión de señales motoras cuando se combina con electrodos implantados en ensayos tanto animales como humanos, permitiendo un control protésico adecuado con múltiples grados de libertad2,34. Además, hemos demostrado por separado la retroalimentación sensorial mediante el uso de nervios periféricos incrustados en injertos dérmicos, llamados La Interfaz Sensorial Dérmica (DSI)3,35. En las amputaciones más distales, el uso de estas construcciones simultáneamente es factible ya que los fascículos motores y sensoriales dentro del nervio periférico objetivo se pueden separar quirúrgicamente. Sin embargo, para las amputaciones de nivel más proximal, esto no es factible debido a la mezcla de fibras motoras y sensoriales. La interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta (C-RPNI) fue desarrollada para amputaciones más proximales, e implica la implantación de un nervio sensorimotor mixto en una construcción que consiste en injerto muscular libre asegurado a un segmento de injerto dérmico(Figura 1). Los nervios periféricos demuestran una reinnervación dirigida preferencial, por lo que las fibras sensoriales reinertan el injerto dérmico y las fibras motoras, el injerto muscular. Esta construcción tiene así la capacidad de amplificar simultáneamente las señales del motor mientras que proporciona retroalimentación somatosensorial36 (Figura 2), lo que permite la realización de la prótesis ideal, intuitiva, compleja.
Protocol
Representative Results
Discussion
El C-RPNI es una construcción novedosa que proporciona amplificación simultánea de las señales eferentes motoras de un nervio objetivo con el suministro de retroalimentación sensorial aferente. En particular, el C-RPNI tiene una utilidad única para aquellos que viven con amputaciones proximales, ya que sus fascículos motores y sensoriales no se pueden separar mecánicamente fácilmente durante la cirugía. En su lugar, el C-RPNI utiliza las propiedades inherentes de reinnervación preferencial del nervio mismo par…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a Jana Moon por la asistencia técnica experta. Los estudios presentados en este documento fueron financiados a través de una subvención 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 |
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