Summary
Vi simulerade klinisk kirurgi för att upprätta ett protokoll för direkt anastomos av bilaterala plexusnerver i brachialisnerver via den prespinala vägen hos möss, vilket bidrar till studien av de neurala mekanismer som ligger till grund för rehabilitering vid passage av nervöverföring efter skador i centrala och perifera nervsystemet.
Abstract
Korsande nervöverföringskirurgi har varit ett kraftfullt tillvägagångssätt för att reparera skadade övre extremiteter hos patienter med avulsionsskador på plexus brachialis. Nyligen tillämpades denna operation kreativt i den kliniska behandlingen av hjärnskada och uppnådde betydande rehabilitering av den förlamade armen. Denna funktionella återhämtning efter operationen tyder på att perifer sensomotorisk intervention inducerar djup neuroplasticitet för att kompensera för funktionsförlusten efter hjärnskada; Den underliggande neurala mekanismen är dock dåligt förstådd. Därför krävs en framväxande klinisk djurmodell. Här simulerade vi klinisk kirurgi för att etablera ett protokoll för direkt anastomos av bilaterala plexusnerver i brachialisnerver via den prespinala vägen hos möss. Neuroanatomiska, elektrofysiologiska och beteendemässiga experiment hjälpte till att identifiera att de överförda nerverna hos dessa möss framgångsrikt reinnerverade den skadade frambenen och bidrog till att påskynda den motoriska återhämtningen efter hjärnskada. Därför avslöjade musmodellen de neurala mekanismer som ligger till grund för rehabilitering vid passage av nervöverföring efter skador på centrala och perifera nervsystemet.
Introduction
Plexus brachialis (BP) består av fem nerver med olika ryggradssegment (C5-T1) som ansvarar för känsel och rörelse i arm, hand och fingrar. Efter att dessa fem BP-nerver har lämnat ryggmärgen smälter de samman för att bilda tre nervstammar: den överlägsna (bildad genom sammanslagning av C5 och C6), medial (från C7) och inferior (grenar av C8 och T1). Allvarliga skador, särskilt på grund av trafikolyckor, leder ofta till avulsion av BP-nervrötterna, och sådan dysfunktion har en förödande effekt på patienter1. Som ett kraftfullt kliniskt tillvägagångssätt har korsande nervöverföringskirurgi utförts för att reparera avulsionsskador på blodtrycket genom att återansluta de skadade nervändarna till den friska sidan av blodtrycket 2,3. Denna operation resulterar i funktionella förbättringar av skadade händer och direkt omorganisation av den sensomotoriska cortex i båda hjärnhalvorna hos patienter4. Djurstudier har visat att drastisk omorganisation i de kortikala kretsarna inducerades efter att ha korsat nervöverföring5. Eftersom perifer sensomotorisk modifiering kan återaktivera den vilande plasticiteten i den mogna hjärnan, uppvisar korsningskirurgi också stor potential för att reparera hjärnskador6.
Nyligen bekräftade vi möjligheten till kreativ användning av korsande nervöverföring som en ny perifer nervförändringsstrategi för problem med det centrala nervsystemet. En typ av korsande nervöverföringskirurgi, kontralateral cervikal sjunde nervöverföring (CC7), tillämpades för att uppnå signifikant funktionell återhämtning av den förlamade armen genom att överföra C7-nerven från den icke-förlamade sidan till den förlamade sidan hos patienten efter hjärnskada7. En unik egenskap hos denna kirurgiska operation är att de sensoriska och motoriska signalerna i den förlamade övre extremiteten kommunicerades till den kontralesionella hemisfären genom den "vänster-höger crossover" förskjutna nerven. Noterbart är att den funktionella återhämtningen som orsakas av CC7-kirurgi inte är begränsad till den funktion som innerveras av själva C7-nerven8. Dessutom kan CC7-kirurgi användas inte bara för att behandla barn med cerebral pares utan också för att uppnå rehabilitering hos medelålders och äldre strokepatienter. Därför finns det tillräckliga skäl att tro att korsning av nervöverföring kan stimulera neuroplasticitet för att påskynda motorisk återhämtning från hjärnskada genom att modulera det perifera sensomotoriska systemet.
Även om korsande nervöverföringskirurgi har uppnått betydande rehabilitering i den kliniska behandlingen av både plexus brachialis-skador (BPI) och hjärnskador, är de neurala mekanismerna bakom denna kirurgi fortfarande dåligt förstådda. Avsaknaden av en lämplig djurmodell med kliniska kännetecken har begränsat studiet av inre mekanismer. Traditionellt, i kliniken, överförs C7-nervroten kontralateralt till lesionen till den skadade sidan genom ett nervtransplantat (t.ex. ulnarisnerven, suralnerven eller saphenusnerven) och är ansluten till den drabbade plexus brachialisus (t.ex. medianusnerven, C7-roten eller nedre delen av bålen)2,3,9. En relativt ny modifiering av denna operation innebär att den opåverkade C7-roten överförs direkt till den drabbade C7-nerven via den prespinala vägen utan något mellanrum, vilket tyder på en optimal lösning7. För närvarande uppvisar möss en fördel när det gäller celltypsspecificitet och genetisk stamdiversitet och är mer lämpade att studera neurofysiologiska mekanismer. Därför simulerades klinisk kirurgi för att etablera ett protokoll för direkt anastomos av bilaterala C7-nervrötter via den prespinala vägen hos möss och bidra till studien av de neurala mekanismer som ligger till grund för rehabilitering vid passage av nervöverföring.
Protocol
Alla djurförsök godkändes av Institutional Care of Experimental Animals Committee vid Fudan University och Chinese Academy of Science i enlighet med National Institute of Healths riktlinjer. Åtta veckor gamla vuxna C57BL/6N-möss användes.
1. Preoperativ inställning
- Se till att det finns ett lämpligt lager av autoklaverade steriliserade kirurgiska instrument, utrustning, smärtstillande läkemedel och bedövningsmedel.
- Se till att det finns tillräckligt med arbetsutrymme på ett operationsbord.
- Förbered operationsbordet med en blöjklädd skräddarsydd kirurgisk skumskiva som säng för musen. Fäst en värmedyna på skumbrädan med medicinsk tejp täckt med steril gasbinda.
- Skapa retraktorer genom att böja en akupunkturnål med hjälp av en kärlpincett, vika den på mitten och sedan böja spetsen på den vikta akupunkturnålen till en krok. Fäst en gummiremsa i änden av akupunkturnålen och använd ett häftstift för att fästa änden av gummiremsan på skumbrädan.
- Kalibrera stereomikroskopet; Välj ett stereomikroskop med tillräckligt fokusavstånd. Täck zoom-/fokusknapparna med steriliserad aluminiumfolie så att kirurgen kan justera dem under operationen. Den steriliserade aluminiumfolien placerades på zoom-/fokusknapparna så att kirurgen kunde använda den med sterila handskar.
2. Musanestesi och förberedelse
- Väg musen och bedöva motsvarande kroppsvikten (isofluran 3%). Se till att musen inte reagerar när tassens mellanrum kläms ihop för att bekräfta anestesidjupet. Tillräckligt anestesidjup ska bibehållas under hela ingreppet (1 % isofluran).
- Applicera ögonsalva bilateralt på ögonen för att förhindra irritation eller uttorkning av hornhinnan under operationen.
- Förbered operationsstället genom att raka pälsen på halsen och bröstet med en automatisk klippare. Ta bort och rengör det lösa håret.
- Placera musen på rygg på värmedynan täckt med steril gasbinda. Håll musens temperatur på 37 °C under hela operationen. Fäst musen med medicinsk tejp för att få frambenen att abducera horisontellt och förhindra att bakbenen och svansen rör sig. Ett steriliserat operationsdraperi för engångsbruk med lämplig öppning placerades på mössen.
3. Operativt förfarande
- Injicera tramadol som förebyggande smärtlindring (20 mg/kg, i.p.). Markera det tvärgående snittet på nyckelbenets övre kant. Använd tre cykler med omväxlande skrubb av jodofordesinfektionslösning och etanol för att desinficera operationsområdet. Bekräfta anestesidjupet med ett tånyp före operationen.
- Arbeta under ett mikroskop och gör ett 4 mm tvärgående snitt längs märket med en steril skalpell. Förstora snittet under ingreppet vid behov.
- Dissekera rakt igenom den subkutana fascian och identifiera den nedre gränsen för den submandibulära körteln. Dra den submandibulära körteln uppåt för att exponera den supraklavikulära fossan och bröstbenet.
OBS: Det kan finnas finkalibriga blodkärl i detta område. Diatermi kan användas för att stoppa blödningar. - Gör ett partiellt mediansnitt av sternotomi (~4 mm) genom att snitta bröstbenet från huvud till svans längs mittlinjen. Skydda lungsäcken, hjärtat och blodkärlen under sternotomi.
- Identifiera sternohyoidmuskeln. Dra försiktigt i bröstbenet med två små skräddarsydda upprullningsdon gjorda av akupunkturnålar och identifiera sternohyoidmuskeln, över luftstrupen och matstrupen. Dra tillbaka denna muskel för att exponera halspulsådern, den inre halsvenen, frenisnerven, vagusnerven, luftstrupen och matstrupen.
OBS: Dra försiktigt tillbaka bröstbenet för att undvika öppen pneumothorax. Till skillnad från hos människor ligger musens matstrupe inte bakom luftstrupen utan intill luftstrupen på vänster sida. - Identifiera den vänstra plexus brachialis. Vid den laterala kanten av den vänstra inre halsvenen, dra fascian och fettvävnaden utåt för att exponera plexus brachialis. Leta efter den övre stammen, som består av C5- och C6-nerverna, som har tre grenar. Identifiera den mellersta stammen som består av C7-nerven och den nedre bålen som består av C8- och T1-nerverna, längs den övre stammen upp till mussvansen.
OBS: Det finns längsgående blodkärl på ytan av plexus brachialis. Använd diatermi för att förhindra blödning. När du separerar vänster plexus brachialis, skydda den chylousa kanalen för att undvika en chylous fistel. - Skörda den vänstra C7-nerven. Dissekera den främre delningen och den bakre delningen av den mellersta bålen (C7-nerven) distalt till delnings-till-navelsträngsnivån under nyckelbenet och blockera C7-nerven med 0,1 ml 2 % lidokain genom lokal infusion i nervstammen. Avlägsna C7-nerven med en vannas fjädersax vid dess sammanslagningspunkter med den laterala strängen och den bakre strängen. Trimma C7-nerven så att längden på varje division är likartad.
OBS: De främre och bakre divisionerna av C7-nerven och de främre och bakre divisionerna av övre och nedre stammar löper en lång sträcka före sammanflödet, så C7-nerven bör frigöras tillräckligt före resektion. Faktum är att C7-nerven inte alltid är uppdelad i två divisioner; Ibland är den uppdelad i tre divisioner eller till och med i fyra i sällsynta fall. - Ta bort den vänstra C6 lamina ventralis. Skydda frenusnerven noggrant och skada den främre scalenemuskeln i nivå med C6-segmentet för att exponera C7-nervroten. Skär av små grenar av C7-nerven som innerverar paraspinalmuskeln med mikropincett. Dra försiktigt ut C7-nerven och ta försiktigt bort C6-lamina ventralis.
OBS: Det finns en benig prominens mellan den mediala sidan av den vänstra halspulsådern och den laterala sidan av matstrupen. Denna beniga prominens är lamina ventralis i den 6:e halskotan. Den längsgående muskeln i den laterala kanten av C6 lamina ventralis är den främre scalenemuskeln, och frenisnerven löper på ytan av den främre scalenemuskeln. - Skörda den högra C7-nerven. Svår den främre scalenemuskeln på höger sida, liknande den vänstra sidan, och transekterar den högra C7-nervroten nära det intervertebrala foramen. Dissekera den högra C7-nerven från dess divisionsnivå.
OBS: Skär försiktigt av den högra C7-nerven för att förhindra skador på blodkärlen under nerven. - Överför den vänstra C7-nerven.
- Ta bort muskellongus colli bredvid kotkropparna delvis på båda sidor. Separera och expandera utrymmet mellan luftstrupen-matstrupen och kotkroppen.
- Skicka en halvvikt 5-0 nylonsutur från höger sida av kotkroppen till vänster sida genom den prespinala vägen.
- Koppla ihop den vänstra C7-nerven med ett infusionsrör och för nerven till höger sida via den prespinala vägen.
- Dra försiktigt tillbaka luftstrupen och matstrupen och anpassa de främre och bakre delarna av vänster C7-nerv till höger C7-nervrot utan spänningar med hjälp av 12-0 nylonsuturer. Suturera epineuriet runt nerverna med 4-5 stygn för att anpassa nerverna starkt.
OBS: Det är viktigt att välja ett infusionsrör av plast med lämplig tjocklek. En för tunn slang kan skada nerven, och en för tjock slang kan skada luftstrupen och matstrupen. Dessutom är utrymmet mellan luftstrupen-matstrupen och kotkroppen ett "V"-format utrymme, och att skära av en del av muskellongus colli kan förkorta överföringsvägen.
4. Förslutning av sår
- Skölj såret med steril koksaltlösning och torka det med steril gasbinda.
- Suturera bröstbenet och stäng huden med 5-0 monofilamentsuturer.
5. Postoperativ vård
- Vänta tills musen vaknar från narkosen. Överför musen till en ren bur utan strömaterial men uppvärmd med en värmande filt. Observera musen tills den är ambulerande. Använd tramadol (20 mg/kg, i.p.) som postoperativ smärtlindring.
- Placera mössen i en återhämtningsbur och övervaka den tills den återhämtar sig. Återställ mössens vatten och kost efter operationen. Övervaka mössen postoperativt för tecken på försämring eller infektion varje dag, inklusive undernäring, böjd hållning och rufsig päls. Två veckor efter operationen bör suturen avlägsnas.
OBS: Applicera erytromycinsalva på sårytan varje dag i tre dagar i följd. - Om några komplikationer, såsom sårödem, observeras, bör det omedelbart lösas.
6. Beteendeanalys
OBS: All beteendetestning och analys gjordes av en observatör som var blind för experimentgrupperna.
- Provning av cylinder
OBS: Cylindertestet utvärderar användningen av framben under spontan vertikal utforskning i en cylinder vid 4 och 8 veckor efter operation21.- Placera mössen i en genomskinlig cylinder (diameter 9 cm, höjd 15 cm) på en upphöjd ram.
- För att underlätta observation och inspelning, fäst en spegel i 45° vinkel under cylindern.
- Spela in spontan uppfödning av varje mus som observerats med hjälp av spegeln i 10 minuter.
- Bestäm manuellt hur lång tid (i) höger tass, (ii) vänster tass eller (iii) båda tassarna kom i kontakt med glasväggarna. Räkna totalt 20 rörelser under varje pass. Uteslut möss som inte är aktiva under testet från analysen.
- Poängsätt testresultatet som:
- Test av rutnätsgång
OBS: Gallergångstestet bedömer den exakta placeringen av framtassarna på stegpinnarna på ett rutnät under spontan utforskning vid 4 och 8 veckor efter operationen. 22. veckor- Placera mössen på ett galler (20 cm x 24 cm) med 25 mm fyrkantiga hål och låt dem utforska fritt i 10 minuter medan de spelar in sitt framträdande med en videokamera.
- Gör en fotglidning om något av följande:
- Leta efter tillfällen då tassen helt missar ett steg (i vilket fall lemmen faller mellan stegpinnarna och djuret tappar balansen).
- Leta efter tillfällen då tassen är korrekt placerad på en stegpinne men glider av när den bär kroppsvikt.
- Uttryck testresultatet som fotglidning av höger framben / total fotglidning. Även om varken cylindertestet eller grid-walk-testet kräver träning, få baslinjepoäng genom att testa varje djur en gång före operationen.
Representative Results
Ensidig hjärnskada orsakar ofta permanent dysfunktion i den kontralaterala extremiteten på grund av begränsningarna i kompensativ neural plasticitet hos vuxna 10,11. Tidigare har vi rapporterat att CC7-kirurgi kan användas för att behandla hemiplegiska övre extremiteter hos vuxna patienter efter hjärnskada7. För att utvärdera effektiviteten av protokollet för direkt anastomos bilaterala C7-nerver via den prespinala vägen, utförde vi den korsande nervöverföringsoperationen på möss efter ensidig traumatisk hjärnskada (TBI). Figur 1 beskriver TBI-procedurerna och verifierar skadeområdet och effekten. Först användes en elektrisk kortikal kontusionsimpaktor (eCCI) för att skada hjärnbarken i vänster hjärnhalva (anteroposterior = +1,0 mm till -2,0 mm, mediolateral = 0,5 mm till 3,5 mm) hos vuxna möss för att resultera i ensidig hjärnskada. Efter 2 veckor bekräftade anatomiska strukturer att detta TBI-protokoll nästan förstörde den sensomotoriska cortex, en viktig plats för att initiera rörelser. Dessa möss med ensidig TBI uppvisade signifikanta motoriska defekter i höger framben.
Figur 2 beskriver CC7-procedurerna. Vägdiagrammet för CC7-kirurgi avslöjade att väg A, som representerar den prespinala vägen, var den kortaste vägen jämfört med de andra. Längden på bana A är till och med lägre än längden på den skördade C7-nerven på vänster sida (icke-förlamad sida). Detta fynd gav den anatomiska grunden för valet av den prespinala vägen för att slutföra nervöverföringskirurgi. CC7-kirurgi utfördes vid direkt anastomos via prespinal administrering två veckor efter TBI. Nerven cervikal 7 (C7) på den icke-förlamade sidan överfördes direkt till den förlamade sidan istället för att göra sina ursprungliga hjärnkopplingar. Figur 3 visar resultaten av elektronmikroskopi som avslöjade att den överförda C7-nerven framgångsrikt hade regenererats. Tjockleken på myelinskidan i den överförda C7-nerven ökade gradvis, med början 4 veckor efter CC7-operationen, och var nästan jämförbar med den i kontrollgruppen 8 veckor efter CC7-operationen. Figur 4 visar muskelreinnervation av den överförda C7-nerven med hjälp av elektromyografiska inspelningar. Elektrisk stimulering av den proximala änden av C7-nervanastomosen inducerade stabilt aktionspotentialer i flera muskler i den drabbade frambenen 4 veckor postoperativt, i överensstämmelse med elektronmikroskopiresultaten. Figur 5 visar att den överförda C7-nerven innehåller motoriska fibrer från ventrala hornet och sensoriska fibrer från dorsalrotsganglierna i ryggmärgens C7-segment på den friska sidan genom retrograd märkning av koleratoxinsubenhet B (CTB).
Figur 6 visar att musmodellen också uppvisade signifikant motorisk återhämtning efter ensidig TBI, i överensstämmelse med resultaten från de kliniska studierna. För att verifiera effekten av CC7-kirurgi på återhämtningen av skadad motorisk funktion efter TBI etablerades en TBI + Sham-grupp och en Control + Sham-grupp. Mössen i TBI + Sham-gruppen och TBI + CC7-gruppen fick samma procedurer för TBI-skada samtidigt, medan mössen i Control + Sham-gruppen endast fick skenkirurgi. Medan mössen i TBI + CC7-gruppen genomgick nervöverföringskirurgi, genomgick mössen i TBI + sham-gruppen och Control + Sham-gruppen bilateral cervikal 7 (C7) nervresektion. I cylindertester visade TBI + CC7-gruppen en signifikant högre användningsgrad av den skadade frambenen än TBI-gruppen både 4 och 8 veckor efter CC7-operationen (p < 0,01). I rutnätsgångstester visade TBI + CC7-gruppen en lägre felfrekvens än TBI-gruppen 4 veckor efter CC7-operationen. Dessutom var felfrekvensen i TBI + CC7-gruppen signifikant lägre än i TBI-gruppen 8 veckor efter CC7-operationen (p < 0,05). Dessa beteenderesultat visade att CC7-kirurgi kunde förbättra den motoriska funktionen hos den drabbade extremiteten hos TBI-möss. Sammantaget tyder dessa resultat på att den överförda C7-nerven som återuppbyggdes genom CC7-kirurgi via den prespinala vägen framgångsrikt regenererades och reinnerverade den skadade frambenen, vilket bidrog till motorisk restaurering hos vuxna möss med ensidig TBI.
Figur 1: Karakterisering av ensidig traumatisk hjärnskada. (A) Schematisk visning av musens position i eCCI. (B) Parametrar och skadeintervall för eCCI. (C) Representativt koronalsnitt som visar den lesionerade cortex (2 veckor efter TBI, skalstreck = 500 μm). Förkortning: eCCI = elektrisk kortikal kontusion impactor. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Det kirurgiska elementära diagrammet. (A) Schematisk bild av den experimentella utformningen för att utföra den kontralaterala C7-nervöverföringen hos TBI-möss. Den röda cirkeln visar positionen för traumat. Det röda dubbelsnedstrecket i den streckade rektangeln visar den suturerade nerven. (B) Ett tvärsnitt visar tre alternativa vägar för den kontralaterala C7-nervöverföringen hos mössen. Väg A, den blå linjen visar den förspinala vägen för den överförda nerven; Väg B, den gröna linjen, visar den pretrakeala vägen för den överförda nerven; Väg C, den röda linjen, visar den subkutana tunneln i den överförda nerven. (C) Grafen visar längden på rutterna och den skördade C7-nerven i (B). Längden på bana A (3,3 ± 0,10 mm) var signifikant lägre än längden på den skördade C7-nerven (4,05 ± 0,11 mm; * p < 0,05, enkelriktad ANOVA, n = 20 i varje grupp). Längden på väg C (14,15 ± 0,20 mm) var signifikant större än längden på den skördade C7-nerven (*** p < 0,001, enkelriktad ANOVA, n = 20 i varje grupp). Längden på bana B var 4,2 ± 0,08 mm (n=20). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Elektronmikroskopianalys av ett tvärsnitt av nerven. (A,B) Bilder av nerven hos kontrollmöss. Skalstapel = 5 μm (A) och 1 μm (B). (C,D) Bilder av den nybildade nerven en månad efter operationen. Skalstapel = 5 μm (C) och 1 μm (D). (E, F) Bilder av den regenererade nerven vid ett tillfälle fem månader efter operationen. Skalstapel = 5 μm (E) och 1 μm (F). (G, H) Bild av den regenererade nerven två månader efter operationen. Skalstapel = 5 μm (G) och 1 μm (H). Förstoring av A, C, E och G, 2 000x; förstoring av B, D, F och H, 15 000x. (I) G-kvoten (förhållandet mellan myelinhydans inner- och ytterdiameter) är lägre i kontrollgruppsprover än i 4-veckorsprover och lika med prover 6-8 veckor efter operationen (***: p < 0,001; jämförelse vid olika gruppaxoner med t-test; n = 3 möss i varje grupp). Förkortningar: CC7= kontralateral cervikal sjunde nervöverföring; CC7-XW = X veckor efter operationen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Elektromyografianalys efter den kontralaterala C7-nervöverföringen indikerar hastigheten för nervregenerering. A) Schematisk bild av elektronisk överföringsstimulering och elektromyografiregistrering in vivo . Stimuleringsintensiteten var densamma under hela testet (2 mA). Stimuleringsstället är C7-nerven proximalt om anastomosen. (B, C) Fotografier som visar aktionspotential inspelade vid pectoralis major två veckor (B) och fyra veckor (C) efter operationen. (D, E) EMG registrerades i extensor digitorum 4 veckor (D) och 8 veckor (E) efter operationen. (F) Efter tre veckor dök CMAP upp i triceps brachii. (G) Vid fyra och åtta veckor ökade CMAP för triceps brachii. (H) Den genomsnittliga amplituden för pectoralis major nådde ~0,25 mV ± 0,16 mV vid 4 veckor jämfört med 0,45 mV ± 0,03 mV vid 8 veckor, vilket visar en signifikant skillnad mellan de två tidpunkterna (*** p < 0,001, t-test, n = 6 i varje grupp). (I) Medelamplituden för triceps brachii nådde ~0,15 mV ± 0,01 mV vid 4 veckor jämfört med 0,46 mV ± 0,02 mV vid 8 veckor, vilket visar en signifikant skillnad mellan de två tidpunkterna (***: p < 0,001, t-test, n = 6 i varje grupp). (J) Medelamplituden för extensor digitorum nådde ~0,11 mV ± 0,01 mV vid 4 veckor jämfört med 0,29 mV ± 0,02 mV vid 8 veckor, vilket visar en signifikant skillnad mellan de två tidpunkterna (***: p < 0,001, t-test, n = 6 i varje grupp). Förkortningar: EMG = elektromyografi; CMAP = sammansatt muskelaktionspotential. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: CTB retrograd märkning av motoriska och sensoriska neuroner i den överförda C7-nerven. (A-C) CTB injicerades i den distala änden av C7-nervanastomosen 4 veckor efter CC7-operationen. (A) De sensoriska neuronerna var märkta för DRG. (B, C) De motoriska nervcellerna i den överförda C7-nerven var märkta för ryggradens främre horn. Förstoring, 20x. Skalstapel = 200 μm (A, B); 100 μm (C). Förkortningar: CTB = koleratoxin subenhet B; DRG = dorsalrotsganglion; DAPI = 4′,6-diamidino-2-fenylindol. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Beteendeförändringar efter CC7-operation. (A) Bilderna visar cylindertestet av mössen. (B) Sammanfattande diagram som visar effekten av CC7-överföring 4 veckor och 8 veckor efter operation på TBI-mössen (n = 6 möss). p = 0,001; oparat t-test. Den genomsnittliga användningen av den nedsatta frambenen var 54,17 % ± 3,01 % i gruppen Control + Sham jämfört med 22,5 % ± 2,14 % i TBI + Sham-gruppen; 35,83 % ± 2,39 % i TBI + CC7-gruppen 4 veckor efter CC7-operationen, vilket indikerar en signifikant skillnad (envägs ANOVA; p < 0,05, n = 6 i varje grupp). 8 veckor efter CC7-överföring var användningen 53,33 % ± 3,80 %, 24,17 % ± 3,01 % och 40,00 % ± 1,83 % i kontrollgruppen + Sham-gruppen, TBI + Sham-gruppen respektive TBI + CC7-gruppen, en signifikant skillnad (*p < 0,05, enkelriktad ANOVA, n = 6 i varje grupp). (C) Bilderna visar rutnätsgångstestet. (D) Grafen visar att den genomsnittliga felprocenten för den nedsatta frambenen i TBI + Sham-gruppen var 85,41 % ± 1,59 % (n = 6), vilket motsvarar TBI + CC7-gruppen 80,17 % ± 2,19 % (n = 6), och båda var fler än kontrollgruppen + Sham (50,99 % ± 11,69 %). 8 veckor efter operationen var felfrekvensen i TBI + CC7-gruppen 76,87 ± 1,07 % (n = 6), vilket är signifikant lägre än för TBI + Sham-gruppen (83,06 % ± 1,41 %; p < 0,05, envägs ANOVA, n = 6 i varje grupp). Förkortningar: CC7= kontralateral cervikal sjunde nervöverföring; TBI = traumatisk hjärnskada. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Discussion
På kliniken har korsande nervöverföringskirurgi använts för att behandla patienter med plexus brachialis-avulsionsskada och efter hjärnskada, såsom stroke och TBI 7,9,12. Hjärnskador är ett allvarligt neurologiskt tillstånd som kan leda till flera komplikationer, inklusive epilepsi, hjärnbråck och infektion13. Inte alla patienter med ensidig hjärnskada är lämpliga för CC7-kirurgi. I allmänhet har CC7-kirurgi utförts på patienter med central hemiplegi i det kroniska stadiet (6 månader efter skadan) för att undvika påverkan av hjärnödem så mycket som möjligt. Patienter med kognitiv svikt och tetraplegi efter hjärnskador exkluderas från behandling för CC7-kirurgi.
De flesta studier har rapporterat användning av ett subkutant tillvägagångssätt och anastomos av sural eller ulnarisnervtransplantat för att överföra den kontralaterala C7-nervroten14,15. Nervregenerering med sådana metoder kräver dock sex månader, vilket kan hindra den motoriska återhämtningsprocessen och till och med potentiellt påverka hjärnans plasticitet14. I tidigare studier utfördes kontralateral C7-överföring på råttor, och den bilaterala C7-nerven användes via 4 strängar av den interpositionella autotransplanterade suralnerven. Det har dock inte förekommit några rapporter om C7-nervöverföring via prespinal väg hos möss. Vi utförde CC7-kirurgi av den modifierade prespinala vägen i möss och verifierade hastigheten för funktionell återhämtning efter C7-nervöverföring. I denna studie förbättrade kontralateral C7-nervöverföring via den prespinala vägen förlamad extremitetsfunktion en månad efter operationen, vilket återspeglar en kortare återhämtningstid för den nervtransplanterade djurmodellen. Därför kan denna modell exakt simulera kliniska situationer och lägga grunden för ytterligare experiment.
Hur man dissekerar nervroten och minskar risken är viktiga frågor för C7-överföring. Till skillnad från hos människor ligger plexus brachialis hos musen i bröstet under nyckelbenet 5,16. Därför var man tvungen att ändra åtkomststrategin för att möjliggöra observation av roten av C7-nerven och ryggraden17. Sternotomi är en säker och effektiv operativ metod och används ofta i musexperiment inom thoraxkirurgi18,19. C6 lamina ventrali är också ett hinder för överföring av nerver. Således utfördes sternotomikirurgi för att dissekera C7-nervroten och skära av C6-lamina ventrali för att förkorta överföringsavståndet.
Även om den prespinala vägen avsevärt kan öka framgångsfrekvensen för direkt anastomos vid nervöverföringskirurgi, kan inte alla möss anastomoseras direkt. Detta beror främst på de anatomiska skillnaderna hos dessa möss. Den mellersta bålen (C7-nerven) smälter samman med den övre eller nedre bålen på en plats mycket nära det intervertebrala foramen. Således är längden på de C7-nerver som är tillgängliga för skörd otillräcklig. För närvarande är den enda metoden nervtransplantation eller ersättning av möss. Denna modell används vanligtvis på 8 veckor gamla möss (20-25 g), eftersom mössen är mogna och C7-nerverna är tillräckligt stora för att kunna hanteras. Även om detta kirurgiska protokoll också är tillämpligt på unga möss, kommer svårigheten med operationen att öka avsevärt hos yngre möss.
Den motoriska funktionen i frambenen hos möss i TBI + CC7-gruppen ökade signifikant efter en månad och två månader, vilket tyder på att den överförda C7-nerven bidrog till återhämtningen av den skadade frambenen. Remyelinisering är avgörande för funktionell neural återhämtning. En tidigare studie visade att myelinskidorna hos skadade nerver återbildades efter en månad, vilket överensstämmer med dessa resultat20. Här mognade den överförda nerven gradvis, vilket överensstämde med beteendetestet. Elektromyografi användes för att ytterligare testa graden av funktionell återhämtning efter nervöverföring. Resultaten visade att den överförda nerven innerverade den drabbade muskeln 4 veckor efter operationen. Noterbart är att denna studie är den första som bestämmer tidpunkten för reinnervation med en direkt anastomos efter korsande nervöverföringskirurgi.
Sammanfattningsvis simulerade vi klinisk kirurgi för att etablera ett protokoll för direkt anastomos av bilaterala plexusnerver i brachialisnerver via den prespinala vägen hos möss och bekräftade funktionen hos den förskjutna nerven. Musmodellen bidrog till att belysa de neurala mekanismer som ligger till grund för rehabilitering vid passage av nervöverföring efter skador i centrala och perifera nervsystemet.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter att redovisa.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China (82071406, 81902296 och 81873766).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1 mL syringe | KDL | K-20200808 | |
| 12-0 nylon sutures | Chenghe | 20082 | |
| 5-0 silk braided | MERSILK,ETHICON | QK312 | |
| 75% ethanol | GENERAL-REAGENT | P1762077 | |
| Acupuncture needle | Chengzhen | 190420 | Use for making retractors |
| Automatic clipper | Codos | CHC-332 | |
| C57BL/6N mice | SLAC laboratory (Shanghai) | C57BL/6Slac | |
| Electrocautery | Gutta Cutter | SD-GG01 | |
| Erythromycin ointment | Baiyunshan | H1007 | |
| Iodophor disinfection solution | Lionser | 20190220 | |
| Medical tape | Transpore,3M | 1527C-0 | |
| Micro needle holder | Chenghe | X006-202003 | |
| Micro-forceps | Chenghe | B001-201908 | |
| Micro-scissors | 66VT | 1911-2S276 | |
| Operating microscope | OLYMPUS | SZX7 | |
| Ophthalmic scissor | Chenghe | X041D1251 | |
| Pentobarbital sodium | Sigma | 20170608 | |
| Plastic infusion tube | KDL | C-20191225 | |
| Sterile normal saline | KL | L121021109 | |
| Vascular forceps | Jinzhong | J31020 | |
| Warming pad | RWD | 69027 |
References
- Aszmann, O. C., et al. Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. Lancet. 385 (9983), 2183-2189 (2015).
- Gu, Y., Xu, J., Chen, L., Wang, H., Hu, S. Long term outcome of contralateral C7 transfer: a report of 32 cases. Chinese Medical Journal. 115 (6), 866-868 (2002).
- Gu, Y. D., et al. Long-term functional results of contralateral C7 transfer. Journal of Reconstructive Microsurgery. 14 (1), 57-59 (1998).
- Feng, J. T., et al. Brain functional network abnormality extends beyond the sensorimotor network in brachial plexus injury patients. Brain Imaging and Behavior. 10 (4), 1198-1205 (2016).
- Stephenson, J. B. t, Li, R., Yan, J. G., Hyde, J., Matloub, H. Transhemispheric cortical plasticity following contralateral C7 nerve transfer: a rat functional magnetic resonance imaging survival study. The Journal of Hand Surgery. 38 (3), 478-487 (2013).
- Hübener, M., Bonhoeffer, T. Neuronal plasticity: beyond the critical period. Cell. 159 (4), 727-737 (2014).
- Zheng, M. X., et al. Trial of contralateral seventh cervical nerve transfer for spastic arm paralysis. The New England Journal of Medicine. 378 (1), 22-34 (2018).
- Spinner, R. J., Shin, A. Y., Bishop, A. T. Rewiring to regain function in patients with spastic hemiplegia. The New England Journal of Medicine. 378 (1), 83-84 (2018).
- Hua, X. Y., et al. Contralateral peripheral neurotization for hemiplegic upper extremity after central neurologic injury. Neurosurgery. 76 (2), 187-195 (2015).
- Robertson, C. S., et al. Effect of erythropoietin and transfusion threshold on neurological recovery after traumatic brain injury: a randomized clinical trial. Journal of the American Medical Association. 312 (1), 36-47 (2014).
- Skolnick, B. E., et al. A clinical trial of progesterone for severe traumatic brain injury. The New England Journal of Medicine. 371 (26), 2467-2476 (2014).
- Wang, G. B., et al. Contralateral C7 to C7 nerve root transfer in reconstruction for treatment of total brachial plexus palsy: anatomical basis and preliminary clinical results. Journal of Neurosurgery. Spine. 29 (5), 491-499 (2018).
- Wilson, L., et al. The chronic and evolving neurological consequences of traumatic brain injury. The Lancet. Neurology. 16 (10), 813-825 (2017).
- Hua, X. Y., et al. Enhancement of contralesional motor control promotes locomotor recovery after unilateral brain lesion. Scientific Reports. 6, 18784 (2016).
- Hua, X. Y., et al. Interhemispheric functional reorganization after cross nerve transfer: via cortical or subcortical connectivity. Brain Research. 1471, 93-101 (2012).
- Pan, F., Wei, H. F., Chen, L., Gu, Y. D. Different functional reorganization of motor cortex after transfer of the contralateral C7 to different recipient nerves in young rats with total brachial plexus root avulsion. Neuroscience Letters. 531 (2), 188-192 (2012).
- Yamashita, H., et al. Restoration of contralateral representation in the mouse somatosensory cortex after crossing nerve transfer. PLoS One. 7 (4), 35676 (2012).
- Tavakoli, R., Nemska, S., Jamshidi, P., Gassmann, M., Frossard, N. Technique of minimally invasive transverse aortic constriction in mice for induction of left ventricular hypertrophy. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (127), e56231 (2017).
- Melhem, M., et al. A Hydrogel construct and fibrin-based glue approach to deliver therapeutics in a murine myocardial infarction model. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (100), e52562 (2015).
- Liu, B., et al. Myelin sheath structure and regeneration in peripheral nerve injury repair. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (44), 22347-22352 (2019).
- Overman, J. J., et al. A role for ephrin-A5 in axonal sprouting, recovery, and activity-dependent plasticity after stroke. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (33), 2230-2239 (2012).
- Yoshikawa, A., Nakamachi, T., Shibato, J., Rakwal, R., Shioda, S. Comprehensive analysis of neonatal versus adult unilateral decortication in a mouse model using behavioral, neuroanatomical, and DNA microarray approaches. International Journal of Molecular Sciences. 15 (12), 22492-22517 (2014).
