이것은 말초 신경을 위한 무선 전원 인터페이스의 외과적 이식 및 작동을 위한 프로토콜입니다. 우리는 쥐의 좌골 신경이나 횡격막 신경에 배치된 신경 자극기의 예를 통해 이 접근법의 유용성을 입증합니다.
말초 신경 계면은 실험 신경 과학 및 재생 의학에서 다양한 응용 분야에 자주 사용됩니다. 이러한 인터페이스는 센서, 액추에이터 또는 둘 다일 수 있습니다. 말초 신경 인터페이스의 전통적인 방법은 외부 시스템에 연결하거나 작동 시간을 제한하는 배터리 전원에 의존해야 합니다. 최근 무선, 무배터리 및 완전 이식 가능한 말초 신경 인터페이스가 개발됨에 따라 새로운 등급의 장치는 유선 또는 배터리 구동식 전구체와 동등하거나 이를 능가하는 기능을 제공할 수 있습니다. 이 논문은 (i) 외과적으로 이식하고 (ii) 성인 쥐에서 이 시스템에 무선으로 전원을 공급하고 제어하는 방법을 설명합니다. 좌골 신경 및 횡격막 신경 모델은 이 접근법의 다양성을 강조하기 위해 예로 선택되었습니다. 이 논문은 말초 신경 계면이 복합 근육 활동 전위(CMAP)를 유발하고, 치료용 전기 자극 프로토콜을 전달하고, 말초 신경 손상 복구를 위한 도관을 통합하는 방법을 보여줍니다. 이러한 장치는 단일 용량 또는 반복 용량 치료 자극에 대한 확장된 치료 옵션을 제공하며 다양한 신경 위치에 적용할 수 있습니다.
외상성 말초신경 손상(PNI)은 미국에서 발생하며 연간 약 200,000건의 발생률이 발생합니다1. PNI를 겪는 대부분의 환자는 영구적인 기능 장애를 남깁니다. 최악의 경우 근육 마비를 초래하고 치료 불응성 신경병증성 통증을 유발할 수 있으므로 환자는 치료로 사지 절단을 기꺼이 받을 수 있다2. PNI 결과를 개선하는 데 가장 큰 장애물은 축삭 재생이 재성장해야 하는 거리에 비해 너무 느리다는 것입니다. 예를 들어, 성인 인간 축삭은 하루에 1mm씩 자라지만 근위부에 병변이 있는 경우 >1000mm의 거리에서 재생해야 할 수 있습니다.
현재 임상 진료에서 PNI의 ~50%는 외과적 치료가 필요하다3. 성공적인 신경 재생을 위해서는 축삭돌기가 (i) 병변 부위를 가로질러 성장하고(즉, 갭 교차) (ii) 신경 경로를 따라 재생되어 최종 장기 목표(즉, 원위 재성장)에 도달해야 합니다(그림 1). 신경 재생을 촉진하는 것으로 입증된 FDA 승인 약물은 없습니다. PNI 임상 관리의 현상 유지는 지난 수십 년 동안 점진적으로 변화해 왔으며 축삭 재생이 이동해야 하는 거리를 줄이기 위한 원위 운동 신경 이식과 같은 수술 방법에 대한 기술적 개선으로 제한되어 있습니다.4 또는 근위 신경이 수축되어 직접 다시 봉합할 수 없는 경우를 위한 “기성품” 합성 신경 도관5. 그러나 수술 후 신경에 가해지는 치료적 전기 자극에 대한 4건의 무작위 임상시험이 있었는데, 이는 앨버타 대학의 K. Ming Chan 박사가 주도한 단일 센터 연구로, 근육 6,7,8 또는 피부의 신경 재신경이 크게 개선되었음을 보여주었다9. 이 전기 자극 프로토콜에 대한 기초 작업은 설치류(10,11)에서 수행되었으며, 전기 자극은 갭 크로싱(갭 크로싱)(그림 1)을 강화함으로써 특이적으로 작동하지만 원위 재성장(12,13,14,15)은 강화하지 않는 것으로 나타났다(12,13,14,15).
4개의 전기 자극 무작위 임상 시험 모두에 사용된 경피적 와이어 전극의 외과적 배치는 그 효과가 1시간11분 동안 연속적으로 20Hz에서 뉴런 세포체를 탈분극하기에 충분한 전류의 전달에 의존하기 때문에 필요했습니다. 임상에서 이 전기 자극 프로토콜은 통증으로 인해 피부의 표면 자극 전극을 통해 필요한 강도에서 대부분의 환자에게 견딜 수 없습니다. 수술실(OR)에서 환자를 이송하는 동안 깊은 상처 감염 또는 신경에서 와이어가 우발적으로 변위되는 것과 같이 수술 후 경피 전극을 실행하는 것과 관련된 사소하지 않은 위험이 있습니다. 또한 수술실 시간 자체의 높은 비용은 수술 후 급성 회복 중이 아닌 해당 환경에서 시도하는 것을 꺼리게 합니다. 기존 말초 신경 계면의 이러한 단점을 해결하기 위해 배터리가 필요 없고 완전히 이식 가능한 새로운 종류의 무선식 말초 신경 계면이 등장하고 있습니다.
이 새로운 종류의 무선 이식형 전자 시스템은 전기 자극 투여의 용이성과 유연성을 높이고 광범위한 임상 구현을 방해하는 장벽을 허물 준비가 되어 있습니다. 이 논문은 (i) 외과적으로 이식하고 (ii) 성인 쥐 좌골 신경 및 횡격막 신경 모델에서 이 시스템에 무선으로 전원을 공급하고 제어하는 방법을 설명합니다. 말초 신경 계면이 어떻게 CMAP를 유발하고, 치료용 전기 자극 프로토콜을 전달하며, 말초 신경 복구를 위한 통로 역할을 할 수 있는지 보여줍니다. 여기의 프로토콜은 광유전학적 매개 신경 조절(optogenetic mediated neuromodulation)16, 조절된 약물 방출(controlled drug release)17, 또는 시간에 따른 전기 자극의 반복적인 한판 승부(18,19)를 위한 광 펄스를 전달할 수 있는 이 기술의 다른 변형체에 적용될 수 있다.
이 논문은 쥐의 좌골 신경과 횡격막 신경 모델에서 무선, 배터리 무선, 완전 이식 가능한 말초 신경 인터페이스의 외과적 이식 및 작동 단계를 설명합니다. 우리는 이 새로운 종류의 생의학 임플란트가 전임상 및 임상 연구에서 축삭 재생을 향상시키는 것으로 나타난 치료적 전기 자극 패러다임을 전달하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 보여줍니다(검토를 위해22 참조). 이 프로토콜은 복잡하지 않고, 마우스(21)와 같은 더 작은 동물 모델뿐만 아니라, 광전자 및 미세유체 말초 신경 인터페이스(18,23,24,25,26,27,28,29,30)를 포함하는 기능을 갖는 다른 무선의, 무배터리, 완전 이식형 장치로 외삽될 수 있다. 또한 설치류 좌골 신경을 이용한 접근법이 시연되었는데, 이는 가장 흔한 실험 모델(31)이다.
이 접근법의 다양성은 말초신경 손상(peripheral nerve injury)32의 모델로 거의 사용되지 않는 횡격막신경(phrenic nerve)과의 접점에 적응할 때 나타났는데, 이는 아마도 매우 잘 알려지지 않은 임상적 문제이기 때문일 것이다 33,34,35. 횡격막 신경 손상 진단 및 재활은 COVID-19 팬데믹 기간 동안 중요한 문제가 되었습니다 36,37,38. 횡격막 축삭돌기의 재생과 횡격막 마비로부터의 회복이 이 짧은 저주파 전기 자극 패러다임에 의해 증강될 수 있는지 여부는 현재 알려져 있지 않습니다. 그러나 횡격막 근육 페이싱을 위한 횡격막 신경 전기 자극은 높은 경추 척수 손상으로 인한 사지 마비 환자의 호흡 부전에 대해 확립된 옵션이다 39,40,41,42,43. 중증 질환 후 인공호흡기 이탈을 포함한 다른 적응증도 연구되고 있다44.
이식된 시스템의 원활한 작동을 보장하기 위해 몇 가지 중요한 단계를 강조해야 합니다. 첫째, 납 절연 제거, 꼬임 또는 파손을 방지하기 위해 장치를 취급할 때 장치의 얇은 전자 부품에 너무 많은 힘을 가하지 않는 것이 중요합니다. 다음으로, 위에 놓인 피부에 무선 주파수 전력 수확기 코일의 위치를 정확하게 표시하는 것이 중요합니다. 셋째, 구즈넥 클램프를 사용하여 이식된 장치의 전력 수확기 코일 위에 외부 무선 주파수 전원 공급 장치의 전송 코일을 조심스럽게 정렬하면 안정적인 작동이 가능합니다. 마지막으로, 근육 경련을 육안으로 관찰하는 것 외에도 전기 자극을 확인하기 위해 주기적인 신경 생리학적 모니터링이 권장됩니다. 목에 있는 횡격막 신경의 더 복잡한 해부학적 구조의 경우, 전기생리학적 확인은 올바른 신경이 분리되었음을 입증하는 데 도움이 됩니다(그림 6).
본 논문 18,19,21에 나타낸 무선, 배터리가 필요 없는 전기 자극기 외에도, 많은 다른 장치들이 잠재적으로 동일한 절차를 공유한다. 예를 들어, 교감신경 및 부교감신경계(30,45,46)로부터의 신호를 만성적으로 기록하기 위해 설인두 및 미주신경에 이식하도록 설계된 전극들이 횡격막 신경과 유사한 수술 영역을 공유하기 때문에, 이 프로토콜은 이들의 이식을 위해 적응될 수 있다. 리스토어(ReStore)와 같은 말초 신경을 위한 무선 장기 생체 적합성 자극기는 제자리에 머물면서 필요에 따라 신경을 자극할 수 있는 훌륭한 도구이다 25,47,48,49,50. 관련 다채널 무선 녹음 임플란트도51건으로 보고되었습니다. 전반적으로, 우리는 이러한 수술 및 전기 자극 프로토콜이 전기 자극 또는 기록과 관련된 모든 무선 말초 신경 인터페이스의 표준으로 채택될 수 있다고 믿습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작업은 SHyNE Resource(NSF ECCS-1542205), IIN 및 Northwestern의 MRSEC 프로그램(NSF DMR-1720139)의 지원을 받은 Northwestern University의 NUANCE Center의 NUFAB 시설을 사용했습니다. 이 연구는 노스웨스턴대학교 재료연구센터에서 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 MRSEC 프로그램(DMR-1720139)이 지원하는 MatCI Facility를 활용했습니다. C.K.F는 NIH의 유니스 케네디 슈라이버 아동 건강 및 인간 발달 연구소(보조금 번호 R03HD101090)와 미국 신경근 재단(개발 보조금)의 지원을 인정합니다. Y.H.는 NSF의 지원을 인정합니다(보조금 번호. CMMI1635443). 이 연구는 노스웨스턴 대학의 Querrey Simpson Institute for Bioelectronics의 지원을 받았습니다.
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 |