Si tratta di un protocollo per l’impianto chirurgico e il funzionamento di un’interfaccia alimentata in modalità wireless per i nervi periferici. Dimostriamo l’utilità di questo approccio con esempi di stimolatori nervosi posizionati sul nervo sciatico o frenico del ratto.
Le interfacce nervose periferiche sono spesso utilizzate nelle neuroscienze sperimentali e nella medicina rigenerativa per un’ampia varietà di applicazioni. Tali interfacce possono essere sensori, attuatori o entrambi. I metodi tradizionali di interfacciamento dei nervi periferici devono collegarsi a un sistema esterno o fare affidamento sull’alimentazione a batteria che limita il periodo di tempo per il funzionamento. Con i recenti sviluppi di interfacce nervose periferiche wireless, senza batteria e completamente impiantabili, una nuova classe di dispositivi può offrire capacità che eguagliano o superano quelle dei loro precursori cablati o alimentati a batteria. Questo documento descrive i metodi per (i) impiantare chirurgicamente e (ii) alimentare e controllare in modalità wireless questo sistema nei ratti adulti. I modelli di nervo sciatico e frenico sono stati selezionati come esempi per evidenziare la versatilità di questo approccio. Il documento mostra come l’interfaccia del nervo periferico possa evocare potenziali d’azione muscolari composti (CMAP), fornire un protocollo di stimolazione elettrica terapeutica e incorporare un condotto per la riparazione della lesione del nervo periferico. Tali dispositivi offrono opzioni di trattamento ampliate per la stimolazione terapeutica a dose singola o ripetuta e possono essere adattati a una varietà di posizioni nervose.
Le lesioni traumatiche dei nervi periferici (PNI) si verificano negli Stati Uniti con un’incidenza annuale di circa 200.000 all’anno1. La maggior parte dei pazienti che soffrono di PNI sono lasciati con menomazioni funzionali permanenti. Nel peggiore dei casi, questo può provocare paralisi muscolare e innescare un dolore neuropatico refrattario al trattamento così grave che i pazienti sono disposti a sottoporsi a un’amputazione dell’arto come trattamento2. Il più grande ostacolo per migliorare i risultati PNI è che la rigenerazione degli assoni è troppo lenta rispetto alle distanze che devono ricrescere. Ad esempio, un assone umano adulto cresce a 1 mm/giorno, ma potrebbe dover rigenerarsi su distanze >1000 mm nel caso di una lesione in un arto prossimale.
Nell’attuale pratica clinica, ~50% dei PNI richiede una riparazione chirurgica3. Per una rigenerazione nervosa di successo, gli assoni devono (i) crescere attraverso il sito della lesione (cioè l’attraversamento del gap) e quindi (ii) rigenerarsi lungo la via nervosa per raggiungere un bersaglio dell’organo terminale (cioè la ricrescita distale) (Figura 1). Non ci sono farmaci approvati dalla FDA che hanno dimostrato di accelerare la rigenerazione nervosa. Lo status quo della gestione clinica della PNI è cambiato solo in modo incrementale negli ultimi decenni ed è limitato a perfezionamenti tecnici di metodi chirurgici come i trasferimenti di nervi motori distali per ridurre la distanza che gli assoni rigeneranti devono percorrere4, o condotti nervosi sintetici “pronti all’uso” per i casi in cui il nervo prossimale si ritrae e non può essere suturato direttamente5. Tuttavia, ci sono stati quattro studi clinici randomizzati sulla stimolazione elettrica terapeutica applicata ai nervi dopo l’intervento, che erano studi monocentrici condotti dal Dr. K. Ming Chan presso l’Università di Alberta che mostrano un miglioramento significativo della reinnervazione del muscolo 6,7,8 o della pelle9. Il lavoro fondamentale per questo protocollo di stimolazione elettrica è stato eseguito nei roditori10,11, dove è stato dimostrato che la stimolazione elettrica funziona in modo specifico migliorando l’attraversamento delle lacune (Figura 1) ma non la ricrescita distale 12,13,14,15.
Il posizionamento chirurgico degli elettrodi a filo transcutaneo utilizzati in tutti e quattro gli studi clinici randomizzati di stimolazione elettrica è stato necessario perché i suoi effetti dipendono dall’erogazione di corrente sufficiente a depolarizzare il corpo cellulare del neurone a 20 Hz continuamente per 1 orae 11. Nella pratica clinica, questo protocollo di stimolazione elettrica non è tollerabile per la maggior parte dei pazienti alle intensità richieste tramite elettrodi di stimolazione superficiale sulla pelle a causa del dolore. Ci sono rischi non banali associati all’utilizzo di elettrodi transcutanei dopo l’intervento, come l’infezione profonda della ferita o lo spostamento accidentale dei fili dai nervi durante il trasporto del paziente dalla sala operatoria (OR). Inoltre, l’alto costo del tempo di sala operatoria è di per sé un disincentivo a tentarlo in quel contesto piuttosto che durante il recupero postoperatorio acuto. Una nuova classe di interfacce nervose periferiche wireless, senza batteria e completamente impiantabili sta emergendo per affrontare questa lacuna delle interfacce nervose periferiche esistenti.
Questa nuova classe di sistemi elettronici impiantabili wireless è pronta ad aumentare la facilità e la flessibilità per il dosaggio della stimolazione elettrica e ad abbattere le barriere che ne precludono una più ampia implementazione clinica. Questo documento descrive i metodi per (i) impiantare chirurgicamente e (ii) alimentare e controllare in modalità wireless questo sistema in modelli di nervo sciatico e frenico di ratto adulto. Mostra come l’interfaccia del nervo periferico possa evocare CMAP, fornire un protocollo di stimolazione elettrica terapeutica e persino fungere da condotto per la riparazione dei nervi periferici. I protocolli qui possono essere adattati per altre varianti di questa tecnologia in grado di fornire impulsi luminosi per la neuromodulazione mediata dall’optogenetica16, il rilascio controllato di farmaci17 o ripetuti attacchi di stimolazione elettrica nel tempo18,19.
Questo documento descrive le fasi dell’impianto chirurgico e del funzionamento di interfacce nervose periferiche wireless, prive di batteria e completamente impiantabili nel modello di nervo sciatico e frenico di ratto. Dimostriamo come questa nuova classe di impianti biomedici possa essere utilizzata per fornire un paradigma di stimolazione elettrica terapeutica che ha dimostrato di migliorare la rigenerazione degli assoni in studi preclinici e clinici (per la revisione, vedere22). Questo protocollo è semplice e può essere estrapolato a modelli animali più piccoli, come i topi21, nonché ad altri dispositivi wireless, senza batteria e completamente impiantabili con funzionalità che includono interfacce nervose periferiche optoelettroniche e microfluidiche 18,23,24,25,26,27,28,29,30 . Viene anche dimostrato l’approccio che utilizza il nervo sciatico del roditore, che è il modello sperimentalepiù comune 31.
La versatilità di questo approccio è stata dimostrata quando è adattato per interfacciarsi con il nervo frenico, che è raramente impiegato come modello di lesione del nervo periferico32, forse perché è un problema clinico ampiamente sottovalutato 33,34,35. La diagnosi e la riabilitazione delle lesioni del nervo frenico sono diventate un problema importante durante la pandemia di COVID-19 36,37,38. Al momento non è noto se la rigenerazione degli assoni frenici e il recupero dalla paralisi del diaframma possano essere aumentati da questo breve paradigma di stimolazione elettrica a bassa frequenza. Tuttavia, la stimolazione elettrica del nervo frenico per la stimolazione muscolare del diaframma è un’opzione consolidata per l’insufficienza respiratoria nei pazienti con tetraplegia da lesione del midollo spinale cervicale elevato 39,40,41,42,43. Altre indicazioni sono in fase di studio, tra cui lo svezzamento ventilatorio dopo una malattia critica44.
Diversi passaggi critici devono essere sottolineati per garantire il buon funzionamento del sistema impiantato. Innanzitutto, è importante evitare di applicare troppa forza sui sottili componenti elettronici dei dispositivi quando li si maneggia per evitare il deisolamento, l’attorcigliamento o la rottura del piombo. Successivamente, è importante contrassegnare con precisione la posizione della bobina del raccoglitore di energia a radiofrequenza sulla pelle sovrastante. In terzo luogo, l’attento allineamento della bobina di trasmissione dell’alimentatore esterno a radiofrequenza sulla bobina dell’alimentatore del dispositivo impiantato con un morsetto a collo d’oca consente un funzionamento stabile. Infine, per confermare la stimolazione elettrica oltre all’osservazione visiva delle contrazioni muscolari, si raccomanda un monitoraggio neurofisiologico periodico. Nel caso dell’anatomia più complessa del nervo frenico nel collo, la conferma elettrofisiologica aiuta a dimostrare che il nervo corretto è stato isolato (Figura 6).
Oltre agli stimolatori elettrici wireless e senza batteria mostrati in questo documento 18,19,21, molti altri dispositivi condividono potenzialmente le stesse procedure. Ad esempio, poiché gli elettrodi progettati per essere impiantati nei nervi glossofaringeo e vago per registrare cronicamente i segnali provenienti dai sistemi nervosi simpatico e parasimpatico 30,45,46 condividono un’area chirurgica simile con il nervo frenico, questo protocollo può essere adattato per il loro impianto. Gli stimolatori biocompatibili wireless a lungo termine per i nervi periferici, come ReStore, sono ottimi strumenti per rimanere in posizione e stimolare i nervi secondo necessità 25,47,48,49,50. Sono stati segnalati anche impianti di registrazione wireless multicanalepertinenti 51. Nel complesso, riteniamo che questi protocolli di stimolazione chirurgica ed elettrica possano essere adattati come standard per tutte le interfacce nervose periferiche wireless relative alla stimolazione o alla registrazione elettrica.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro ha utilizzato la struttura NUFAB del NUANCE Center della Northwestern University, che ha ricevuto il supporto della SHyNE Resource (NSF ECCS-1542205), dell’IIN e del programma MRSEC della Northwestern (NSF DMR-1720139). Questo lavoro si è avvalso della struttura MatCI supportata dal programma MRSEC della National Science Foundation (DMR-1720139) presso il Materials Research Center della Northwestern University. Il C.K.F riconosce il sostegno dell’Eunice Kennedy Shriver Institute of Child Health and Human Development del NIH (sovvenzione n. R03HD101090) e dell’American Neuromuscular Foundation (Development Grant). Y.H. riconosce il sostegno di NSF (sovvenzione n. CMMI1635443). Questo lavoro è stato sostenuto dal Querrey Simpson Institute for Bioelectronics della 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 |