Это протокол хирургической имплантации и эксплуатации интерфейса с беспроводным питанием для периферических нервов. Мы демонстрируем полезность этого подхода на примерах нервных стимуляторов, помещенных либо на седалищный, либо на диафрагмальный нерв крысы.
Интерфейсы периферических нервов часто используются в экспериментальной неврологии и регенеративной медицине для широкого спектра применений. Такими интерфейсами могут быть датчики, исполнительные механизмы или и то, и другое. Традиционные методы сопряжения периферических нервов должны либо быть привязаны к внешней системе, либо полагаться на питание от батареи, что ограничивает временные рамки операции. Благодаря недавним разработкам беспроводных, безбатарейных и полностью имплантируемых периферических нервных интерфейсов, новый класс устройств может предложить возможности, которые соответствуют или превосходят возможности их проводных предшественников или предшественников с батарейным питанием. В этой статье описываются методы (i) хирургической имплантации и (ii) беспроводного питания и управления этой системой у взрослых крыс. В качестве примеров были выбраны модели седалищного и диафрагмального нервов, чтобы подчеркнуть универсальность этого подхода. В статье показано, как периферический нервный интерфейс может вызывать сложные мышечные потенциалы действия (CMAPs), обеспечивать терапевтический протокол электростимуляции и включать проводник для восстановления повреждений периферических нервов. Такие устройства предлагают расширенные возможности лечения для однократной или повторной терапевтической стимуляции и могут быть адаптированы к различным нервным участкам.
Травматические повреждения периферических нервов (ПНИ) встречаются в США с ежегодной частотой около 200 000 вгод1. Большинство пациентов, страдающих ПНИ, остаются с постоянными функциональными нарушениями. В худшем случае это может привести к параличу мышц и вызвать резистентную к лечению нейропатическую боль, настолько сильную, что пациенты готовы подвергнуться ампутации конечности вкачестве лечения. Самым большим препятствием для улучшения результатов ПНИ является то, что регенерация аксонов происходит слишком медленно по сравнению с расстояниями, на которые они должны отрасти. Например, аксон взрослого человека растет со скоростью 1 мм/день, но в случае поражения проксимального отдела конечности ему может потребоваться регенерация на расстоянии >1000 мм.
В современной клинической практике ~50% ПНИ требуют хирургического вмешательства3. Для успешной регенерации нерва аксоны должны (i) расти поперек места поражения (т.е. пересечение щели), а затем (ii) регенерировать вниз по нервному пути, чтобы достичь мишени в органе-мишени (т.е. дистального отрастания) (рис. 1). Не существует одобренных FDA препаратов, способных ускорить регенерацию нервов. За последние несколько десятилетий статус-кво клинического ведения ПНИ изменился только постепенно и ограничивается техническими усовершенствованиями хирургических методов, таких как пересадка дистальных двигательных нервов для уменьшения расстояния, которое должны пройти регенерирующие аксоны4, или «готовые» синтетические нервные каналы для случаев, когда проксимальный нерв втягивается и не может быть непосредственно сшит обратно5. Тем не менее, было проведено четыре рандомизированных клинических исследования терапевтической электростимуляции, применяемой к нервам после операции, которые были одноцентровыми исследованиями под руководством доктора К. Минг Чана из Университета Альберты, которые показали значительное улучшение реиннервации мышц 6,7,8 или кожи9. Фундаментальная работа для этого протокола электростимуляции была проведена на грызунах 10,11, где было показано, что электростимуляция работает, в частности, усиливая пересечение щели (рис. 1), но не дистальный рост 12,13,14,15.
Хирургическое размещение чрескожных проволочных электродов, использованных во всех четырех рандомизированных клинических исследованиях электростимуляции, было необходимо, поскольку его эффекты зависят от подачи достаточного тока для деполяризации тела нейронной клетки с частотой 20 Гц непрерывно в течение 1 часа11 минут. В клинической практике этот протокол электростимуляции непереносим для большинства пациентов при требуемой интенсивности через поверхностно-стимулирующие электроды на коже из-за боли. Существуют нетривиальные риски, связанные с установкой чрескожных электродов в послеоперационном периоде, такие как инфицирование глубокой раны или случайное смещение проводов от нервов во время транспортировки пациента из операционной (ИЛИ). Кроме того, высокая стоимость операционного времени сама по себе является препятствием для того, чтобы попытаться сделать это в таких условиях, а не во время острого послеоперационного восстановления. Новый класс беспроводных, безбатарейных и полностью имплантируемых периферических нервных интерфейсов появляется для устранения этого недостатка существующих периферических нервных интерфейсов.
Этот новый класс беспроводных имплантируемых электронных систем призван повысить простоту и гибкость дозирования электростимуляции и разрушить барьеры, препятствующие ее более широкому клиническому применению. В этой статье описываются методы (i) хирургической имплантации и (ii) беспроводного питания и управления этой системой на моделях седалищного и диафрагмального нервов взрослых крыс. Он показывает, как интерфейс периферических нервов может вызывать CMAP, доставлять терапевтический протокол электростимуляции и даже выступать в качестве проводника для восстановления периферических нервов. Приведенные здесь протоколы могут быть адаптированы для других вариантов этой технологии, которые могут доставлять световые импульсы для оптогенетически опосредованной нейромодуляции16, контролируемого высвобождения лекарств17 или повторяющихся приступов электрической стимуляции в течение долгого времени18,19.
В этой статье описываются этапы хирургической имплантации и эксплуатации беспроводных, безбатарейных и полностью имплантируемых интерфейсов периферических нервов в модели седалищного и диафрагмального нервов крысы. Мы демонстрируем, как этот новый класс биомедицинских имплантатов может быть использован для создания терапевтической парадигмы электростимуляции, которая, как было показано, усиливает регенерацию аксонов в доклинических и клинических исследованиях (обзор см.в разделе 22). Этот протокол прост и может быть экстраполирован на более мелкие модели животных, таких как мыши21, а также на другие беспроводные, безбатарейные и полностью имплантируемые устройства с функциональностью, которая включает оптоэлектронные и микрофлюидные интерфейсы периферических нервов 18,23,24,25,26,27,28,29,30 . Также продемонстрирован подход с использованием седалищного нерва грызуна, который является наиболее распространенной экспериментальной моделью31.
Универсальность этого подхода была продемонстрирована, когда он был адаптирован к взаимодействию с диафрагмальным нервом, который редко используется в качестве модели повреждения периферических нервов32, возможно, потому, что это крайне недооцененная клиническая проблема 33,34,35. Диагностика и реабилитация при повреждении диафрагмального нерва стали важным вопросом во время пандемии COVID-19 36,37,38. В настоящее время неизвестно, может ли регенерация диафрагмальных аксонов и восстановление после паралича диафрагмы быть дополнена этой короткой парадигмой низкочастотной электростимуляции. Тем не менее, электрическая стимуляция диафрагмального нерва для стимуляции диафрагменных мышц является признанным вариантом лечения дыхательной недостаточности у пациентов с тетраплегией из-за высокой травмы шейного отдела спинного мозга 39,40,41,42,43. Изучаются и другие показания, в том числе отлучение от аппарата искусственной вентиляции легких после критического заболевания44.
Для обеспечения хорошей работы имплантируемой системы следует выделить несколько важных шагов. Во-первых, важно избегать приложения слишком больших усилий к тонким электронным компонентам устройств при обращении с ними, чтобы предотвратить деизоляцию свинца, перегиб или поломку. Далее важно точно отметить расположение катушки радиочастотного силового комбайна на вышележащей обшивке. В-третьих, тщательное совмещение передающей катушки внешнего радиочастотного источника питания с катушкой силового комбайна имплантируемого устройства с зажимом на гусиной стойке позволяет обеспечить стабильную работу. Наконец, для подтверждения электростимуляции в дополнение к визуальному наблюдению за мышечными подергиваниями рекомендуется периодический нейрофизиологический мониторинг. В случае более сложной анатомии диафрагмального нерва в области шеи электрофизиологическое подтверждение помогает продемонстрировать, что был выделен правильный нерв (рис. 6).
Помимо беспроводных, безбатарейных электростимуляторов, показанных в этой статье 18,19,21, многие другие устройства, потенциально использующие те же процедуры. Например, поскольку электроды, предназначенные для имплантации в языкоглоточный и блуждающий нервы для хронической регистрации сигналов от симпатической и парасимпатической нервных систем 30,45,46, имеют ту же хирургическую область, что и диафрагмальный нерв, этот протокол может быть адаптирован для их имплантации. Беспроводные долгосрочные биосовместимые стимуляторы для периферических нервов, такие как ReStore, являются отличными инструментами, чтобы оставаться на месте и стимулировать нервы по мере необходимости 25,47,48,49,50. Также сообщалось о соответствующих многоканальных имплантатах беспроводной записи51. В целом, мы считаем, что эти протоколы хирургической и электрической стимуляции могут быть адаптированы в качестве стандарта для всех беспроводных периферических нервов, связанных с электростимуляцией или записью.
The authors have nothing to disclose.
В этой работе использовалась база NUFAB Центра NUANCE Северо-Западного университета, которая получила поддержку от SHyNE Resource (NSF ECCS-1542205), IIN и программы MRSEC Северо-Западного университета (NSF DMR-1720139). В этой работе использовалась установка MatCI, поддерживаемая программой MRSEC Национального научного фонда (DMR-1720139) в Центре исследования материалов Северо-Западного университета. C.K.F выражает признательность за поддержку со стороны Института детского здоровья и развития человека им. Юнис Кеннеди Шрайвер Национального института здоровья (NIH) (грант No R03HD101090) и Американского нервно-мышечного фонда (грант на развитие). Ю.Х. выражает признательность за поддержку со стороны NSF (грант No. CMMI1635443). Эта работа была поддержана Институтом биоэлектроники Куэрри Симпсона при Северо-Западном университете.
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 |