Tillverkning av composite regenerativ perifert nervgränssnitt (C-RPNI) i vuxen rat
Summary
Följande manuskript beskriver en ny metod för att utveckla ett biologiskt, slutet kretscellsneuralåterkopplingssystem som kallas det sammansatta regenerativa perifera nervgränssnittet (C-RPNI). Denna konstruktion har förmågan att integrera med perifera nerver för att förstärka brusande motorsignaler samtidigt som den ger afferent sensorisk feedback.
Abstract
Senaste framsteg i neuroprotetik har gjort det möjligt för dem som lever med extremitetförlust att reproducera många funktioner hemma i den frånvarande änden, och detta sker ofta genom integration med det perifera nervsystemet. Tyvärr är metoder som för närvarande används ofta förknippade med betydande vävnadsskador som förhindrar långvarig användning. Dessutom saknar dessa enheter ofta någon meningsfull grad av sensorisk feedback eftersom deras komplexa konstruktion dämpar eventuella vibrationer eller andra förnimmelser som en användare tidigare kan ha varit beroende av när du använder enklare proteser. Det sammansatta regenerativa perifera nervgränssnittet (C-RPNI) utvecklades som en stabil, biologisk konstruktion med förmågan att förstärka brusande nervsignaler med motorn samtidigt som den gav samtidig afferent sensorisk feedback. C-RPNI består av ett segment av fritt dermal och muskeltransplantat säkrat runt ett mål blandad sensorimotorisk nerv, med förmånstagare motor nerv reinnervation av muskeltransplantat och sensorisk nerv reinnervation av dermal graft. Hos råttor har denna konstruktion visat generering av sammansatta muskelverkan potentiella randen (CMAPs), förstärka målet nervens signal från mikro-till milli-volt nivå, med signal till buller nyckeltal i genomsnitt cirka 30-50. Stimulering av dermal komponenten i konstruktionen genererar sammansatta sensoriska nerv åtgärder potentialer (CSNAPs) vid proximala nerv. Som sådan har denna konstruktion lovande framtida nytta mot förverkligandet av den ideala, intuitiva protesen.
Introduction
Extremitetamputationer påverkar nästan 1 av 190 amerikaner1, och deras prevalens beräknas öka från 1,6 miljoner idag till över 3,6 miljoner 20502. Trots dokumenterad användning i över ett årtusende, har den idealiska protesen ännu inte realiserats3. För närvarande finns det komplexa proteser som kan flera gemensamma manipulationer med potential att reproducera många motoriska funktioner i den inhemska änden4,5. Dessa enheter anses dock inte intuitiva eftersom önskad protesrörelse vanligtvis är funktionellt skild från ingångskontrollsignalen. Användare anser vanligtvis dessa “avancerade proteser” svårt att lära sig och därför inte lämpar sig för dagligt bruk1,6. Dessutom ger komplexa proteser som för närvarande finns på marknaden inte någon märkbar grad av subtil sensorisk feedback för adekvat kontroll. Känslan av beröring och proprioception är avgörande för att utföra dagliga uppgifter, och utan dessa, enkla handlingar som att plocka upp en kopp kaffe blir betungande eftersom det är helt beroende av visuella ledtrådar7,8,9. Av dessa skäl är avancerade proteser förknippade med en betydande grad av mental trötthet och beskrivs ofta som betungande och otillfredsställande5,10,11. För att ta itu med detta har vissa forskningslaboratorier utvecklat proteser som kan ge en begränsad grad av sensorisk feedback via direkt neural interaktion12,13,14,15, men feedback är ofta begränsad till små, spridda områden på händer och fingrar12,13, och förnimmelser noterades vara smärtsamma och onaturliga ibland15. Många av dessa studier saknar tyvärr någon märkbar långsiktig uppföljning och nerv histologi att avgränsa lokala vävnadseffekter, samtidigt som man konstaterar gränssnitt misslyckande på omfattningen av veckor till månader16.
För denna population skulle den idealiska protesenheten ge hög trohet motorisk kontroll tillsammans meningsfull somatosensory feedback från individens miljö under hela sin livstid. Avgörande för utformningen av nämnda idealprotes är utvecklingen av ett stabilt, tillförlitligt gränssnitt som skulle möjliggöra samtidig överföring av afferent somatosensorisk information med brusande motorsignaler. Den mest lovande av nuvarande människa-maskin gränssnitt är de som interagerar med det perifera nervsystemet direkt, och den senaste utvecklingen inom neuro-integrerade proteser har arbetat för att överbrygga klyftan mellan bioelektriska och mekaniska signaler17. Strömgränssnitt som används inkluderar: flexibla nervplattor14,15,18,extra neuralmanschettelektroder13,19,20,21,22,23, vävnad genomträngande elektroder24,25,31,32, och intrafasicular elektroder26,27 ,28. Var och en av dessa metoder har dock visat begränsningar när det gäller nervspecificitet, vävnadsskada, axonal degeneration, myelin utarmning och/eller ärrvävnadsbildning i samband med kronisk indwelling främmande kroppssvar16,17,18,19. På senare tid har det varit insatt att en förare bakom eventuella implanterade elektrodfel är den betydande skillnaden i Youngs moduli mellan elektroniskt material och inföding neural vävnad. Hjärnvävnad är föremål för betydande mikrorörelse dagligen, och det har teoretiserats att skjuvning stress framkallas av skillnader i Youngs moduli orsakar inflammation och eventuellpermanent ärrbildning30,31,32. Denna effekt förvärras ofta i extremiteterna, där perifera nerver är föremål för både fysiologisk mikrorörelse och avsiktlig extremitet makrorörelse. På grund av denna ständiga rörelse är det rimligt att dra slutsatsen att utnyttjandet av ett helt abiotiska perifert nervgränssnitt inte är idealiskt, och ett gränssnitt med en biologisk komponent skulle vara lämpligare.
För att ta itu med detta behov av en biologisk komponent utvecklade vårt laboratorium ett biotiska nervgränssnitt som kallas Regenerativ peripheral nerve interface (RPNI) för att integrera transected perifera nerver i en kvarvarande lem med en protesenhet. RPNI tillverkning innebär kirurgiskt implantera en perifer nerv i en autolog fri muskel transplantat, som därefter revascularizes och reinnervates. Vårt labb har utvecklat detta biologiska nervgränssnitt under det senaste decenniet, med framgång i att förstärka och överföra motoriska signaler i kombination med implanterade elektroder i både djur- och mänskliga försök, vilket möjliggör lämplig proteskontroll med flera frihetsgrader2,34. Dessutom har vi separat visat sensorisk feedback genom användning av perifera nerver inbäddade i dermal ympkvistar, kallas Dermal Sensorisk Interface (DSI)3,35. I mer distala amputationer, med hjälp av dessa konstruktioner samtidigt är möjligt som motor och sensoriska fascicles inom målet perifera nerv kan kirurgiskt separeras. Men för mer proximala nivå amputationer, Detta är inte möjligt på grund av sammanblandning av motor och sensoriska fibrer. Composite Regenerativ Peripheral Nerve Interface (C-RPNI) utvecklades för mer proximala amputationer, och det innebär att implantera en blandad sensorimotorisk nerv i en konstruktion bestående av fritt muskeltransplantat säkrat till ett segment av dermal graft(figur 1). Perifera nerver visar förmånliga riktade reinnervation, alltså sensoriska fibrer kommer åter innervat dermal moderplantor och motorfibrer, muskeltransplantat. Denna konstruktion har således förmågan att samtidigt förstärka motoriska signaler samtidigt som somatosensory feedback36 (Figur 2), möjliggör förverkligandet av den ideala, intuitiva, komplexa protesen.
Protocol
Representative Results
Discussion
C-RPNI är en ny konstruktion som ger samtidig förstärkning av ett mål nerv motor brusande signaler med tillhandahållande av afferent sensorisk feedback. I synnerhet har C-RPNI unikt nytta för dem som lever med proximala amputationer som deras motor och sensoriska fascicles kan inte lätt mekaniskt separeras under kirurgi. Istället använder C-RPNI de inneboende förmånsförrättningar av nerven själv för att uppmuntra sensorisk fiber reinnervation att dermal sensoriska slutorgan och motorfibrer till neuromuskul…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Jana Moon för expert teknisk hjälp. Studier som presenteras i denna uppsats finansierades genom ett R21 (R21NS104584) bidrag till 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).
