Aquí se presenta un protocolo para la fabricación de un sistema implantable para la grabación cronológica in vivo de potenciales electromiográficos evocados y espontáneos. El sistema se aplica a la investigación de la reinnervación de los músculos laríngeos después de la lesión nerviosa.
La electromiografía (EMG) mide la respuesta muscular a la estimulación eléctrica o actividad espontánea de las unidades motoras y desempeña un papel importante en la evaluación de la función neuromuscular. El registro crónico de la actividad de EMG que refleja el estado de reinnervación de un músculo después de la lesión nerviosa ha sido limitado, debido a la naturaleza invasiva de las técnicas tradicionales de grabación de EMG. En este sentido, un sistema implantable está diseñado para la grabación de EMG in vivo a largo plazo y la estimulación nerviosa. Se ha aplicado y probado en un estudio sobre la reinnervación de los músculos laríngeos. Este sistema consta de 1) dos manguitos nerviosos de electrodo bipolar y cables para estimular cada uno de los dos nervios: el nervio laríngeo recurrente (RLN) y la rama interna del nervio laríngeo superior (SLN); 2) dos electrodos de registro EMG y cables para cada uno de los dos músculos laríngeos: músculo cricoarytenoid posterior (PCA) y complejo muscular cricoarytenoid lateral tirugitenoide (TA-LCA); y 3) un receptáculo de la piel que interpone todos los terminales de plomo implantados a un preamplificador y estimulador de grabación externo utilizando un cable de conexión. Los cables son de acero inoxidable de tipo 316 recubiertos de teflón y multifilamento. Están enrollados y pueden estirarse durante el movimiento corporal del animal despierto para evitar la rotura del plomo y la migración de electrodos. Este sistema se implanta durante una cirugía aséptica. Después, las grabaciones basales de EMG se realizan antes de que la RLN se transecte en la segunda cirugía para estudiar la reinnervación muscular. A lo largo del estudio, se llevan a cabo múltiples sesiones fisiológicas en el animal anestesiado para obtener actividad EMG evocada y espontánea que refleja el estado de reinnervación de los músculos laríngeos. El sistema es compacto, libre de infección en el transcurso del estudio, y altamente duradero. Este sistema implantable puede proporcionar una plataforma fiable para la investigación en la que se requiere el registro a largo plazo o la estimulación nerviosa en un animal anestesiado o en movimiento libre.
El registro EMG es una técnica útil para medir la actividad eléctrica producida por un músculo esquelético cuando se activa mediante la estimulación eléctrica de su nervio o el disparo espontáneo de sus unidades motoras. El seguimiento de las señales EMG se puede utilizar para la evaluación de la transmisión neuromuscular y la biomecánica muscular1. La grabación de EMG también juega un papel importante en la caracterización de la calidad y magnitud de la reinnervación muscular después de la lesión nerviosa2,3,4,5. Sin embargo, múltiples grabaciones eMG durante todo el período de reinnervación no se pueden lograr mediante un enfoque invasivo. Por lo tanto, los dispositivos implantables han sido diseñados y desarrollados para la estimulación y grabación repetidas, crónicas en sistemas neuromusculares6,,7,8,9,10,11,12,13. El objetivo de este documento es describir un protocolo para la fabricación e implantación de un sistema estable para la obtención de datos cronológicos fiables de la laringe.
Este sistema se aplica aquí al estudio de la reinnervación muscular laríngea. Se proporciona una breve descripción general de la laringe para la orientación(Figura 1). Una coordinación precisa entre los componentes sensoriales y motores es esencial para un movimiento muscular adecuado durante la respiración, la voz y la protección de las vías respiratorias. El músculo PCA, ubicado en la laringe posterior, es el único secuestrador del pliegue vocal. Este músculo se activa espontáneamente durante la inspiración para aumentar el área glotal para la inhalación. El complejo TA-LCA es el principal aductor del pliegue vocal. La activación de este complejo muscular junto con otro aductor (es decir, el músculo interarytenoid) medializelis el pliegue para la vibración y la producción de sonido y cerrar el pliegue para la protección de las vías respiratorias durante la deglución.
Además, las fibras de neuronas motoras inervan los músculos del abductor y del aductor en la RLN. Los músculos del abductor y del aductor se pueden distinguir en función de la composición de la unidad motora14,,15. El músculo PCA exhibe un aumento de la cocción durante condiciones hipercapnicas y/o hipoxicas16 debido a la presencia de unidades motoras inspiratorias. Por el contrario, las unidades motoras de cierre glotético reflejo (RGC), que cierran la glotis reflexivamente a través de la activación de receptores sensoriales dentro de la mucosa laríngea, están presentes en el complejo muscular TA-LCA. La rama interna del nervio laríngeo superior (SLN) lleva las fibras aferentes de los receptores sensoriales en la laringe17. Aunque la voz es principalmente una función aductora, tanto las unidades motoras de abductor como las de aductor están involucradas en este comportamiento laríngeo altamente evolucionado.
Figura 1: Anatomía de la laringe. También se muestran los componentes de este sistema implantable. SLN – nervio laríngeo superior; RLN – nervio laríngeo recurrente; PCA – músculo cricoarytnoid posterior; TA-LCA – complejo muscular cricoarytenoide tirugitenoideo-lateral; DBS – estimulación cerebral profunda. Esta figura ha sido reproducida con permiso de Wiley27. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Las lesiones en el RLN pueden dar lugar a parálisis del pliegue vocal (VFP), que compromete tanto las funciones de secuestro como de aducción debido a la denervación muscular laríngea14,,18,19. Posteriormente, la regeneración de las fibras nerviosas RLN y la reinnervación de los músculos se produce comúnmente. Sin embargo, la reinnervación es un proceso aleatorio y resulta en una reconexión muscular mal dirigida e inapropiada en la mayoría de los casos. Esto se conoce como sinesquina, en la que la activación espontánea de los antagonistas del abductor y aductor es defectuosa y produce un movimiento ineficaz o incluso paradójico de los pliegues vocales14,,19,,20,,21. Con la sinesquina, la función crítica que se pierde es el secuestro de pliegues vocales, lo que resulta en una ventilación inadecuada. Aunque hay intentos continuos de tratar la sinesquirenal laríngea mediante 1) el bloqueo del cierre glottic con Botox22,,23 o 2) estimulando eléctricamente la abertura glottic con un marcapasos implantable24,25, no hay ninguna intervención clínica que prevenga de forma fiable la sinesisquina26. Sin embargo, hay evidencia de que el acondicionamiento eléctrico del músculo PCA durante la reinnervación a baja frecuencia promueve la reconexión neuromuscular adecuada y minimiza la sinesquina de suceder. Actualmente se están llevando a cabo estudios para dilucidar los mecanismos subyacentes2.
El objetivo de este trabajo es describir un sistema implantable simple y barato para la estimulación nerviosa crónica y la grabación de EMG. Este sistema se puede utilizar para investigar los efectos del acondicionamiento eléctrico de baja frecuencia del músculo PCA en la especificidad de su posterior reinnervación. Las señales EMG obtenidas por este sistema pueden reflejar la calidad y cantidad de la reinnervación muscular laríngea a lo largo del tiempo.
Este artículo describe los pasos necesarios en la fabricación de un sistema novedoso, económico e implantable para la estimulación de los nervios laríngeos y el registro de las respuestas EMG de los músculos laríngeos a largo plazo. El protocolo no es complicado y puede producir un implante que es lo suficientemente compacto como para ser utilizado en un animal tan pequeño como una rata. Hay varios pasos críticos que deben enfatizarse. En primer lugar, los cables de plomo deben enrollarse cuidadosamente y uniformemente para evitar el desaislamiento, la torcedura o la rotura del plomo. Si una máquina de bobinado no está disponible, los cables enrollados prefabricados se pueden obtener comercialmente. En segundo lugar, la estrategia de insertar cables de plomo en un tubo de silicona para formar una “V” que se extiende por el nervio es fundamental para promover la entrega actual a través del nervio dentro del manguito. Si ambos cables se colocan en el mismo lado del tubo, puede producirse una derivación de corriente entre electrodos. También es importante que los cables se coloquen contra la pared interna del tubo para evitar la posibilidad de lesiones en rodajas en el nervio.
En tercer lugar, durante la cirugía de implantación, los nervios laríngeos deben diseccionarse cuidadosamente para prevenir daños. En la etapa posterior de la implantación, al insertar pasadores en el receptáculo, se debe aplicar fuerza al pasador en alineación con su orificio para evitar la flexión repentina de la cabeza del pasador. Posteriormente, el cemento óseo debe distribuirse a fondo en la parte inferior del receptáculo para un aislamiento completo y la prevención de la interferencia entre canales. Por último, la prevención de la infección es fundamental para garantizar la integridad del sistema de implantes a lo largo del tiempo. Se puede lograr mediante una combinación de varias maniobras: adición de una falda al receptáculo, administración de antibióticos, limpieza diaria de la herida y receptáculo con solución antiséptica compatible con el tejido, y colocación de pasadores macho ficticios en los pasadores femeninos del receptáculo para mantenerlos limpios de escombros entre sesiones.
El protocolo ha demostrado ser exitoso en este modelo laríngeo para perros. Sin embargo, algunas modificaciones o estrategias alternativas pueden ser consideradas para otras aplicaciones. Por ejemplo, las puntas de sensación desaisladas de los electrodos PCA y TA-LCA EMG están ancladas en los músculos por un medio externo, ya sea el injerto de poliéster o el electrodo DBS. En una aplicación en la que el anclaje externo no es necesario o realizado, la barba del electrodo por sí sola puede servir como el ancla. En tal caso, el alambre monofilamento recubierto de teflón, de acero inoxidable, puede ser preferible al alambre multifilamento en vista de su mayor resistencia a la tracción, proporcionando una barba que es más estable en el tejido. Sin embargo, cabe señalar que los cables multifilamento pueden ser menos propensos a la rotura. Una estrategia alternativa a la fabricación y montaje del receptáculo de la piel es la impresión 3D utilizando polímeros biocompatibles (por ejemplo, MED610 de Stratasys). Esto puede simplificar el proceso de fabricación.
Después de la cirugía de implantación y la recuperación del animal, las sesiones fisiológicas se llevan a cabo con los RLNs intactos para obtener datos de referencia. Durante una sesión, la ausencia de señales EMG de un músculo laríngeo puede ocurrir después de la estimulación de LAN. Para resolver problemas la causa(Tabla 1),primero se debe determinar si el movimiento del pliegue vocal está presente. Si está presente, esto significa que el nervio se activa eficazmente por el manguito, pero hay un problema con el plomo EMG. En esta situación, los usuarios deben mirar más a fondo el artefacto de estímulo EMG. Si el artefacto EMG está ausente, es probable que haya una discontinuidad en la entrada EMG al preamplificador. El ruido de sesenta ciclos también estará presente y grande en amplitud. Si el artefacto es grande, la derivación de un pin de estímulo al pin de grabación puede ser responsable de saturar el preamplificador de canal y destruir la respuesta EMG. Si el artefacto es normal, entonces el plomo EMG probablemente se ha dislocado del músculo y no puede detectar su actividad. Por otro lado, si el movimiento del pliegue vocal está ausente, entonces el nervio no se está activando. Si el artefacto está ausente, puede haber una discontinuidad en el circuito de estimulación, evitando la activación nerviosa. Si el artefacto parece normal, el nervio puede haberse lesionado durante la cirugía del implante o el manguito puede haber migrado del nervio. Una estrategia similar se puede aplicar para resolver problemas la causa de las señales EMG ausentes durante la estimulación SLN.
Nervio estimulado | Músculo(s) objetivo(es) | Movimiento del pliegue vocal ipsilateral | Artefacto de estímulo | Causas |
RLN | PCA y/o TA-LCA | Sí | Ausente (ruido de 60 ciclos presente) | Discontinuidad en la entrada EMG al preamplificador (por ejemplo, cable, pasador, cable); |
Grande | Conversación cruzada entre el estímulo y los pines de grabación en el receptáculo | |||
Normal | Dislocación del electrodo EMG | |||
No | Ausente | Discontinuidad en el circuito de estimulación | ||
Normal | 1. Lesión de RLN; 2. Dislocación del manguito | |||
Sln | TA-LCA | Sí | Ausente (ruido de 60 ciclos presente) | Discontinuidad en la entrada EMG al preamplificador (por ejemplo, cable, pasador, cable); |
Grande | Conversación cruzada entre el estímulo y los pines de grabación en el receptáculo | |||
Normal | Dislocación del electrodo EMG | |||
No | Ausente | Discontinuidad en el circuito de estimulación | ||
Normal | 1. Lesión SLN o RLN; 2. Dislocación del manguito |
Tabla 1: Guía de solución de problemas.
Cabe mencionar que hay dos limitaciones menores en la aplicación actual de esta tecnología. En primer lugar, la flexión repentina del pasador femenino durante la inserción en el receptáculo se ha producido en varios casos. Afortunadamente, los pasadores se pueden enderezar e insertar en sus agujeros con éxito. Si el daño del pasador es irreparable, el cable y todo su componente deben ser reemplazados. Por lo tanto, los componentes de respaldo deben estar disponibles antes de la cirugía. En segundo lugar, el tiempo necesario para completar la implantación quirúrgica es largo (10 h). La larga duración refleja parcialmente el gran número de componentes de estimulación y recodificación necesarios para este estudio: cuatro nervios, cuatro músculos, un receptáculo y un IPG. Si se requieren menos componentes utilizando esta tecnología, el tiempo de implantación debe reducirse significativamente (por ejemplo, la lengua de rata modelo28).
Este enfoque tecnológico introduce varias características que tienen ventaja sobre los métodos existentes. El bobinado de cables de plomo es la característica más novedosa e importante de este sistema. Los cables enrollados no están comúnmente disponibles para la experimentación animal no comercial a pesar de los muchos beneficios que proporcionan. Un cable enrollado se puede ampliar a la longitud deseada durante la implantación. Además, se estirará en el animal despierto, en movimiento para evitar la luxación de la punta del electrodo o rotura del cable después de la implantación. Esta característica garantiza la longevidad del implante y la estimulación nerviosa estable y la grabación muscular a largo plazo. Además, la adición de una falda compatible con el tejido alrededor del receptáculo evita la exposición de la herida a este cuerpo extraño y promueve la fibrosis normal y la cicatrización de heridas en ausencia de infección. Estudios previos sin esta falda resultaron en infección temprana y terminación prematura del experimento. Por último, este sistema de implantes es compacto y multicanal, lo que permite la adquisición efectiva de datos de numerosas estructuras neuromusculares en modelos animales de varios tamaños.
Este enfoque técnico ha sido adaptado y traducido con éxito a un modelo de rata. Este estudio fue diseñado para investigar el efecto del acondicionamiento eléctrico en la prevención de la atrofia muscular de la lengua y la disfunción en la rata de envejecimiento. Los nervios hipoglossales fueron implantados con los electrodos del manguito para el acondicionamiento y la lengua implantada con los electrodos de grabación EMG28. Esta tecnología también se puede utilizar en otras aplicaciones de investigación. Como una extensión del protocolo actual en la laringe canina, los efectos del acondicionamiento eléctrico en la promoción de la reinnervación selectiva se están estudiando actualmente en los músculos faciales del conejo. Este estudio puede proporcionar una base para la prevención de la sinesquina facial en pacientes con parálisis de Bell, una condición médica común y debilitante. Un uso potencial final de esta tecnología es estimular y registrar de animales despiertos y en movimiento libre. En la actualidad, dichos datos se han obtenido a través de un cable externo de ratas despiertas y sin restricciones28. En el futuro, este sistema económico también puede combinarse con la tecnología de grabación-estimulación remota (por ejemplo, telemetría) para activar o sondear sistemas neuromusculares de forma inalámbrica.
The authors have nothing to disclose.
Los autores agradecen a la Dra. Hongmei Wu su contribución al cuidado de los animales y a la recopilación de datos a lo largo del estudio. Agradecemos a Amy Nunnally, Jamie Adcock y Phil Williams por su ayuda con cirugías estériles. La experiencia y dedicación del personal de vanderbilt University Animal Care Facility fue invaluable. Esta investigación fue apoyada por la subvención de NIH U01DC016033.
20 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305175 | |
23 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305145 | |
25 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305125 | |
3-0 absorbable sutures, COATED VICRYL | Ethicon | J219H | |
3-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | 8684G | |
4-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | 8871H | |
6-0 monofilament, nonabsorbable taper needle suture, Prolene | Ethicon | 8805 | |
7-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | M8735 | |
Adhesive silicone solvent-Hexamethydisiloxane 98% | ACROS | code 194790100 | for dilution of modical adhesive silicone |
Bone cement | Zimmer | 1102-16 | 20g powder 10ml liquid |
Buprenorphine (Buprenex, ampules of 1ml) | Reckitt Benckiser Healthcare (UK) Ltd | 12496-0757-1 | |
CCD video camera attached to the endoscope | Sony | MCC500MD | |
Cefpodoxime (Simplicef 100mg tablets) | Zoetis | 5228 | |
Data acquisition device , PowerLab 16/35 | ADInstruments, Inc | 5761-E | |
Deep-brain stimulation (DBS) electrodes | Abbott | 6172ANS | |
Digital oscilloscope | Tektronix | DPO71304SX | |
Implantable pulse generator (IPG), Infinity | Abbott | 6660ANS | |
Knitted polyester graft | Meadox Medical Inc | 92220 | 20mm in diameter |
Medical Grade Polyethylene Micro Tubing | Amazon.com | BB31695-PE/13-10 | OD 0.156", ID 0.094" |
Metal female pin | Allied Electronics & Automation | 220-S02-100 | |
Metal male pin | CDM electronics | 220-p02-1 | |
Prefabricated coiled leads | Medical innovations Inc. | ||
Silastic Laboratory Tubing | Cole-Parmer | 2415569 | OD 0.125", ID 0.062" |
Silastic Medical Adhesive Silicone | Dow corning | Type A, 2 oz | |
Stainless steel monofilament wire | The Harris Products Group | type 316 | 0.008" (coated), 0.005" (bare) |
Sterile Disposable Biopsy Punch (4mm) | Sklar Instruments | 96-1146 | |
Strip connector | CDM electronics | 2.6 x 11.6 x 101.5 mm | single row, round, through hole |
Teflon-coated multi-filament stainless steel wire | Medwire | Part 316, ss7/44T | |
Tiletamine and Zolazepam combination, Telazol – 5mL | Zoetis | 004866 | |
Tissue-compatible antiseptic solution, Nolvasan – 1 Gal. | Zoetis | 540561 | |
Zero-degree rigid endoscope | Karl Storz | 8712AA |