Bu, periferik sinirler için kablosuz olarak çalışan bir arayüzün cerrahi implantasyonu ve çalışması için bir protokoldür. Bu yaklaşımın faydasını, sıçan siyatik veya frenik sinire yerleştirilen sinir stimülatörlerinden örneklerle gösteriyoruz.
Periferik sinir arayüzleri, deneysel sinirbilim ve rejeneratif tıpta çok çeşitli uygulamalar için sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tür arayüzler sensörler, aktüatörler veya her ikisi de olabilir. Geleneksel periferik sinir arayüzü yöntemleri ya harici bir sisteme bağlanmalı ya da çalışma için zaman çerçevesini sınırlayan pil gücüne dayanmalıdır. Kablosuz, pilsiz ve tamamen implante edilebilir periferik sinir arayüzlerindeki son gelişmelerle birlikte, yeni bir cihaz sınıfı, kablolu veya pille çalışan öncülleriyle eşleşen veya onları aşan yetenekler sunabilir. Bu yazıda, yetişkin sıçanlarda (i) cerrahi olarak implant ve (ii) bu sisteme kablosuz olarak güç sağlama ve kontrol etme yöntemleri açıklanmaktadır. Bu yaklaşımın çok yönlülüğünü vurgulamak için siyatik ve frenik sinir modelleri örnek olarak seçilmiştir. Makale, periferik sinir arayüzünün bileşik kas aksiyon potansiyellerini (CMAP’ler) nasıl uyandırabileceğini, terapötik bir elektriksel stimülasyon protokolü sunabileceğini ve periferik sinir hasarının onarımı için bir kanal içerebileceğini göstermektedir. Bu tür cihazlar, tek doz veya tekrarlanan doz terapötik stimülasyon için genişletilmiş tedavi seçenekleri sunar ve çeşitli sinir konumlarına uyarlanabilir.
Travmatik periferik sinir yaralanmaları (PNI’ler) ABD’de yıllık yaklaşık 200.000 insidansı ile ortaya çıkar1. PNI’lardan muzdarip hastaların çoğu kalıcı fonksiyonel bozukluklarla kalır. En kötüsü, bu kas felci ile sonuçlanabilir ve tedaviye dirençli nöropatik ağrıyı tetikleyebilir ve hastalar tedavi olarak uzuv amputasyonuna girmeye istekli olacak kadar şiddetli olabilir2. PNI sonuçlarını iyileştirmenin önündeki en büyük engel, akson rejenerasyonunun, yeniden büyümeleri gereken mesafelere göre çok yavaş olmasıdır. Örneğin, yetişkin bir insan aksonu günde 1 mm büyür, ancak proksimal bir uzuvda bir lezyon olması durumunda >1000 mm’lik mesafelerde yenilenmesi gerekebilir.
Mevcut klinik uygulamada, PNI’lerin ~%50’si cerrahi onarım gerektirir3. Başarılı bir sinir rejenerasyonu için, aksonlar (i) lezyon bölgesi boyunca büyümeli (yani, boşluk geçişi) ve daha sonra (ii) bir son organ hedefine ulaşmak için sinir yolunda rejenere olmalıdır (yani, distal yeniden büyüme) (Şekil 1). Sinir yenilenmesini hızlandırdığı kanıtlanmış FDA onaylı bir ilaç yoktur. PNI klinik yönetiminin statükosu yalnızca son birkaç on yılda kademeli olarak değişmiştir ve rejenere aksonların seyahat etmesi gereken mesafeyi azaltmak için distal motor sinir transferleri gibi cerrahi yöntemlere yönelik teknik iyileştirmelerlesınırlıdır 4 veya proksimal sinirin geri çekildiği ve doğrudan tekrar dikilemediği durumlar için “kullanıma hazır” sentetik sinir kanalları5. Bununla birlikte, Alberta Üniversitesi’nden Dr. K. Ming Chan tarafından yönetilen ve kas 6,7,8 veya cildinreinnervasyonunu önemli ölçüde iyileştirdiğini gösteren tek merkezli çalışmalar olan, ameliyat sonrası sinirlere uygulanan terapötik elektrik stimülasyonu üzerine dört randomize klinik çalışma yapılmıştır 9. Bu elektriksel stimülasyon protokolünün temel çalışması kemirgenlerde10,11 gerçekleştirildi, burada elektriksel stimülasyonun özellikle boşluk geçişini artırarak (Şekil 1) çalıştığı, ancak distal yeniden büyümeyi(12,13,14,15) artırmadığı gösterilmiştir.
Dört elektriksel stimülasyon randomize klinik çalışmanın hepsinde kullanılan transkutanöz tel elektrotların cerrahi olarak yerleştirilmesi gerekliydi, çünkü etkileri, nöron hücre gövdesini 1 saat11 boyunca sürekli olarak 20 Hz’de depolarize etmek için yeterli akımın verilmesine bağlıydı. Klinik uygulamada, bu elektriksel stimülasyon protokolü, ağrı nedeniyle cilt üzerinde yüzey uyarıcı elektrotlar aracılığıyla gereken yoğunluklarda çoğu hasta için tolere edilemez. Ameliyat sonrası transkutanöz elektrotların çalıştırılmasıyla ilişkili, derin yara enfeksiyonu veya ameliyathaneden (OR) hasta nakli sırasında tellerin yanlışlıkla sinirlerden yer değiştirmesi gibi önemsiz olmayan riskler vardır. Ek olarak, ameliyathane zamanının yüksek maliyeti, akut postoperatif iyileşme sırasında değil, bu ortamda denemeye karşı caydırıcıdır. Mevcut periferik sinir arayüzlerinin bu eksikliğini gidermek için yeni bir kablosuz, pilsiz ve tamamen implante edilebilir periferik sinir arayüzleri sınıfı ortaya çıkıyor.
Bu yeni kablosuz implante edilebilir elektronik sistemler sınıfı, elektriksel stimülasyon dozlama için kolaylık ve esnekliği artırmaya ve daha geniş klinik uygulamasını engelleyen engelleri yıkmaya hazırdır. Bu yazıda, erişkin sıçan siyatik ve frenik sinir modellerinde (i) cerrahi olarak implant ve (ii) bu sisteme kablosuz olarak güç sağlama ve kontrol etme yöntemleri açıklanmaktadır. Periferik sinir arayüzünün CMAP’leri nasıl uyandırabileceğini, terapötik bir elektriksel stimülasyon protokolü sunabileceğini ve hatta periferik sinirlerin onarımı için bir kanal görevi görebileceğini gösterir. Buradaki protokoller, optogenetik aracılı nöromodülasyon 16, kontrollü ilaç salınımı17 veya zaman içinde tekrarlanan elektriksel stimülasyon nöbetleri18,19 için ışık darbeleri verebilen bu teknolojinin diğer varyantları için uyarlanabilir.
Bu makale, sıçan siyatik ve frenik sinir modelinde kablosuz, pilsiz ve tamamen implante edilebilir periferik sinir arayüzlerinin cerrahi implantasyonu ve operasyonundaki adımları açıklamaktadır. Bu yeni biyomedikal implant sınıfının, klinik öncesi ve klinik çalışmalarda akson rejenerasyonunu arttırdığı gösterilen terapötik bir elektriksel stimülasyon paradigması sağlamak için nasıl kullanılabileceğini gösteriyoruz (inceleme için, bkz.22). Bu protokol karmaşık değildir ve fareler21 gibi daha küçük hayvan modellerinin yanı sıra optoelektronik ve mikroakışkan periferik sinir arayüzlerini içeren işlevselliğe sahip diğer kablosuz, pilsiz ve tamamen implante edilebilir cihazlara tahmin edilebilir 18,23,24,25,26,27,28,29,30. Ayrıca, en yaygın deneysel model olan kemirgen siyatik sinirini kullanan yaklaşım da gösterilmiştir31.
Bu yaklaşımın çok yönlülüğü, periferik sinir hasarının bir modeli olarak nadiren kullanılan frenik sinir ile etkileşime uyarlandığındagösterilmiştir 32, belki de çok az tanınan bir klinik sorunolduğu için 33,34,35. Frenik sinir yaralanması tanı ve rehabilitasyonu COVID-19 pandemisi sırasında önemli bir konu haline gelmiştir 36,37,38. Frenik aksonların rejenerasyonunun ve diyafram felcinden iyileşmenin bu kısa, düşük frekanslı elektriksel stimülasyon paradigması ile arttırılıp arttırılamayacağı şu anda bilinmemektedir. Bununla birlikte, diyafram kas pili için frenik sinir elektrik stimülasyonu, yüksek servikal omurilik yaralanmasından kaynaklanan tetraplejili hastalarda solunum yetmezliği için yerleşik bir seçenektir 39,40,41,42,43. Kritik hastalıktan sonra ventilatörün kesilmesi de dahil olmak üzere diğer endikasyonlar araştırılmaktadır44.
İmplante edilen sistemin iyi çalışmasını sağlamak için birkaç kritik adım vurgulanmalıdır. İlk olarak, kurşun yalıtımının bozulmasını, bükülmesini veya kırılmasını önlemek için cihazları tutarken ince elektronik bileşenlerine çok fazla kuvvet uygulamaktan kaçınmak önemlidir. Daha sonra, radyo frekansı güç hasat bobininin üstteki cilt üzerindeki yerini doğru bir şekilde işaretlemek önemlidir. Üçüncüsü, harici radyo frekansı güç kaynağının iletim bobininin, implante edilmiş cihazın güç biçerdöver bobini üzerinde bir deveboynu kelepçesi ile dikkatli bir şekilde hizalanması, kararlı çalışmaya izin verir. Son olarak, kas seğirmesinin görsel gözlemine ek olarak elektriksel stimülasyonu doğrulamak için periyodik nörofizyolojik izleme önerilir. Boyundaki frenik sinirin daha karmaşık anatomisi söz konusu olduğunda, elektrofizyolojik doğrulama doğru sinirin izole edildiğini göstermeye yardımcı olur (Şekil 6).
Bu yazıda18,19,21’de gösterilen kablosuz, pilsiz elektrik stimülatörlerinin yanı sıra, diğer birçok cihaz potansiyel olarak aynı prosedürleri paylaşır. Örneğin, sempatik ve parasempatik sinir sistemlerinden gelen sinyalleri kronik olarak kaydetmek için glossofaringeal ve vagus sinirlerine implante etmek üzere tasarlanmış elektrotlar30,45,46 frenik sinir ile benzer bir cerrahi alanı paylaştığından, bu protokol implantasyonları için uyarlanabilir. ReStore gibi periferik sinirler için kablosuz uzun süreli biyouyumlu stimülatörler, yerinde kalmak ve gerektiğinde sinirleri uyarmak için harika araçlardır 25,47,48,49,50. İlgili çok kanallı kablosuz kayıt implantları da rapor edilmiştir51. Genel olarak, bu cerrahi ve elektriksel stimülasyon protokollerinin, elektriksel stimülasyon veya kayıt ile ilgili tüm kablosuz periferik sinir arayüzleri için bir standart olarak uyarlanabileceğine inanıyoruz.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, SHyNE Kaynağından (NSF ECCS-1542205), IIN’den ve Northwestern’in MRSEC programından (NSF DMR-1720139) destek alan Northwestern Üniversitesi’nin NUANCE Merkezi’nin NUFAB tesisini kullandı. Bu çalışma, Northwestern Üniversitesi Malzeme Araştırma Merkezi’ndeki Ulusal Bilim Vakfı’nın (DMR-1720139) MRSEC programı tarafından desteklenen MatCI Tesisinden yararlandı. C.K.F, NIH Eunice Kennedy Shriver Çocuk Sağlığı ve İnsani Gelişme Enstitüsü (hibe no. R03HD101090) ve Amerikan Nöromüsküler Vakfı’nın (Kalkınma Hibesi) desteğini kabul eder. Y.H., NSF’den destek aldığını kabul ediyor (hibe no. CMMI1635443). Bu çalışma, Northwestern Üniversitesi’ndeki Querrey Simpson Biyoelektronik Enstitüsü tarafından desteklenmiştir.
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 |