Die Muskelmanschette Regenerative periphere Nervenschnittstelle zur Verstärkung intakter peripherer Nervensignale
13. Januar 2022
Dieses Manuskript bietet eine innovative Methode zur Entwicklung einer biologischen peripheren Nervenschnittstelle, die als Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) bezeichnet wird. Dieses chirurgische Konstrukt kann die motorischen efferenten Signale des zugehörigen peripheren Nervs verstärken, um eine genaue Erkennung der motorischen Absicht und die potenzielle Kontrolle von Exoskelettgeräten zu ermöglichen.
Physiologische Nervensignale liegen auf dem Niveau von Mikrovolt, was viel zu klein ist, um mit derzeit verfügbaren Elektroden zuverlässig aufzuzeichnen. Der MC-RPNI kann mit intakten peripheren Nerven kommunizieren und die kleinen Signale über das Hundertfache verstärken, um eine zuverlässige und genaue Erkennung der motorischen Absicht zu ermöglichen. Der Hauptvorteil dieser Technik ist ihre biologische Natur.
Es kann sich langfristig mit intakten peripheren Nerven verbinden, ohne eine nachteilige Wirkung auf den Nerv selbst oder distal innervierte Muskelziele zu haben. Angetriebene Exoskelettgeräte, die in der Lage sind, die Funktion von Menschen mit Extremitätenschwäche wiederherzustellen, werden selten in ihrem vollen Potenzial genutzt, da die motorische Absicht nicht zuverlässig und genau erkannt werden kann. Aufgrund seiner biologischen Nervensignalverstärkungsfähigkeiten ist die Muskelmanschette RPNI die Antwort auf diese Mängel.
Machen Sie einen Längsschnitt entlang des vorderen Aspekts der gewünschten Spenderhinterbeine, der sich von knapp über dem Knöchel bis knapp unter das Knie mit einem Skalpell Nummer 15 erstreckt. Sezieren Sie das darunter liegende Unterhautgewebe mit einer scharfen Irisschere, um die darunter liegende Muskulatur und die distalen Sehnen nur in der Nähe des Sprunggelenks freizulegen. Isolieren Sie den EDL-Muskel und seine distale Sehne von der umgebenden Muskulatur.
Stellen Sie die Isolierung der richtigen Sehne sicher, indem Sie beide Zinken einer Pinzette oder Irisschere unter die distale Sehne in der Nähe des Sprunggelenks einführen. Öffnen Sie die Pinzette oder Schere, um Druck nach oben auf die Sehne auszuüben. Führen Sie eine distale Tenotomie des EDL-Muskels auf Knöchelhöhe mit einer scharfen Irisschere durch und sezieren Sie den Muskel frei von umgebendem Gewebe, das in der Nähe seines sehnigen Ursprungs arbeitet.
Sobald die proximale Sehne sichtbar ist, führen Sie eine proximale Tenotomie mit einer scharfen Irisschere durch, um das Transplantat zu befreien, schneiden Sie beide sehnigen Enden des Muskeltransplantats und schneiden Sie mit einer scharfen Irisschere auf die gewünschte Länge. Machen Sie einen Längsschnitt entlang der gesamten Trimmlänge auf einer Seite des Muskeltransplantats, um die Platzierung des Nervs innerhalb des Muskeltransplantats zu erleichtern und den Kontakt des Nervs mit dem Endomysium herzustellen. Legen Sie das vorbereitete Muskeltransplantat in eine mit Kochsalzlösung angefeuchtete Gaze, um das Austrocknen des Gewebes zu verhindern.
Markieren Sie den chirurgischen Schnitt, der sich von einer Linie von etwa 5 Millimetern von der Ischiaskerbe bis zum unteren Kniegelenk erstreckt. Schneiden Sie durch die Haut und das Unterhautgewebe entlang der markierten Inzisionslinie mit einer Klinge Nummer 15. Schneiden Sie vorsichtig durch die darunter liegende Bizepsfaszie und achten Sie darauf, sich nicht über die gesamte Tiefe des Muskels zu erstrecken, da der Ischiasnerv direkt darunter liegt.
Dann sezieren Sie vorsichtig durch den Bizepsmuskel mit einer stumpfen kleinen Schere oder einem Hämostat. Identifizieren Sie den gemeinsamen Damm- oder CP-Nerv und isolieren Sie ihn sorgfältig mit einer Mikrozange und einer Mikroschere von den umliegenden Nerven. Entfernen Sie das umgebende Bindegewebe von den mittleren 2 Zentimetern des Nervs und achten Sie darauf, den Nerv nicht zu zerquetschen.
Halten Sie das proximale Epineurium mit einer Mikrozange über den zentralen Teil des befreiten CP-Nervs und schneiden Sie sofort mit einer Mikrodissektionsschere in das Epineurium. Fahren Sie dann distal entlang des Nervs, um ein epineuriales Fenster zu bilden, das der Muskeltransplantatlänge entspricht, und entfernen Sie etwa 25% des Epineuriums. Achten Sie darauf, dieses Segment in einem Stück zu entfernen.
Entfernen Sie das Muskeltransplantat aus der mit Kochsalzlösung angefeuchteten Gaze und legen Sie es unter den zentralen Teil des CP-Nervs, wo das epineuriale Fenster geschaffen wurde. Drehen Sie den Nerv um 180 Grad, so dass der epineuriale Fensterabschnitt den intakten Muskel berührt und nicht unter der eventuellen Nahtlinie liegt. Vernähen Sie das CP-Nervenepineurium mit einem 8-O Nylonnaht proximal und distal zum Muskeltransplantat innerhalb der Rille mit einfachen unterbrochenen Nähten, um Epineurium zu Endomysium zu sichern.
Umlaufende Umhüllung der Ränder im Muskeltransplantat, das den nun gesicherten Nerv umgibt, und Naht mit unterbrochenem 8-O Nylonstiche. Sobald die Hämostase erreicht ist, schließen Sie die femoröse Bizepsfaszie über dem Konstrukt mit einer 5-O-chromischen Naht in laufender Weise. Verschließen Sie die darüber liegende Haut mit einer 4-O-Chromnaht laufend.
H&E-Färbung eines MC-RPNI-Querschnitts zeigt den Muskel und den Nerv. Der Querschnitt des ipsilateralen distal innervierten EDL-Muskels bei einer Ratte mit einem MC-RPNI zeigte lebensfähiges Nerven- und Muskelgewebe ohne signifikante Fibrose oder Narbenbildung im Vergleich zum Querschnitt bei einer Kontrollratte ohne MC-RPNI. Die Immunhistochemie eines Längsschnitts einer MC-RPNI-Probe zeigt blau gefärbte Kerne mit DAPI und grün gefärbtes Nervengewebe.
Eine Nahaufnahme eines anderen erfolgreichen MC-RPNI zeigt mehrere innervierte neuromuskuläre Verbindungen, die mit Alpha-Bungarotoxin in Rot für Acetylcholinrezeptoren gefärbt sind. Elektrophysiologische Tests, die an den MC-RPNI-Konstrukten durchgeführt wurden, zeigten, dass die erzeugten zusammengesetzten Muskelaktionspotentiale oder CMAPs-Wellenformen dem nativen Muskel ähneln, was weiter unterstützt, dass sie von ihrem enthaltenen Nerv renerviert wurden. CMAPs, die durch physiologische EDL-Muskeln nach proximaler CP-Nervenstimulation erzeugt werden, liegen typischerweise zwischen 20 und 30 Millivolt.
EDL-CMAPs bei Ratten mit implantierten MC-RPNIs unterscheiden sich nicht signifikant und betragen durchschnittlich 24,27 Millivolt plus oder minus 1,34 Millivolt. Es ist wichtig, ein epineuriales Fenster zu üben, bevor Sie es in einer Studie verwenden. Das Epineurium ist eine sehr dünne, zerbrechliche Hülle auf dem Nerv, und die Beschädigung der darunter liegenden Nervenfasern kann die Ergebnisse auf höchst unvorhersehbare Weise verändern.
Diese Konstrukte gelten bei Ratten nach 3 Monaten als ausgereift und ihre Anpassungsmöglichkeiten sind endlos. Nach der Reifung kann der MC-RPNI in physiologischen Bewertungen, elektrophysiologischen Analysen und Muskelkrafttests verwendet werden, um nur einige zu nennen. End-to-Side-Neurorhaphie ist ein relativ neues Konzept in der Chirurgie, bei dem ein transezierter Nerv mit einem intakten peripheren Nerv verbunden ist, der Kollaterale induziert, die aus dem intakten Nerv in das transplantierte Segment sprießen.
Wir haben entdeckt, dass dieses Phänomen auch bei Muskeln auftritt, die direkt auf den intakten Nerv gepfropft werden, und die Möglichkeiten für weitere Forschung sind faszinierend.
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Überblick
Dieses Manuskript präsentiert das Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI), eine innovative Methode zur Entwicklung einer biologischen peripheren Nervenschnittstelle. Dieses chirurgische Konstrukt verstärkt motorische efferente Signale von peripheren Nerven und verbessert die Erkennung motorischer Absichten für die potenzielle Steuerung von Exoskelettgeräten.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Biomedizinische Technik
- Neuroprothetik
Hintergrund
- Physiologische Nervensignale liegen typischerweise im Mikrovoltbereich.
- Aktuelle Elektroden haben Schwierigkeiten, diese kleinen Signale zuverlässig aufzuzeichnen.
- Das MC-RPNI kann langfristig mit intakten peripheren Nerven interagieren.
- Diese Methode beeinflusst die Nerven- oder Muskelziele nicht negativ.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer biologischen Schnittstelle, die Nervensignale verstärkt.
- Verbesserung der Zuverlässigkeit der Erkennung motorischer Absichten.
- Verbesserung der Funktionalität von angetriebenen Exoskelettgeräten.
Verwendete Methoden
- Entwicklung des Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface.
- Verstärkung von Nervensignalen um das Hundertfache.
- Langzeitinteraktion mit peripheren Nerven.
- Bewertung der Genauigkeit der Signalerkennung.
Hauptergebnisse
- Das MC-RPNI verstärkte erfolgreich physiologische Nervensignale.
- Es wurde eine zuverlässige Erkennung motorischer Absichten erreicht.
- Die Technik zeigte eine langfristige Kompatibilität mit Nervengewebe.
- Potenzielle Anwendungen zur Steuerung von Exoskelettgeräten wurden identifiziert.
Schlussfolgerungen
- Das MC-RPNI adressiert die Einschränkungen aktueller Methoden zur Nervensignalerkennung.
- Diese biologische Schnittstelle kann neuroprothetische Anwendungen erheblich verbessern.
- Zukünftige Forschung könnte den Einsatz zur Wiederherstellung motorischer Funktionen erweitern.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Current neuroprosthetic approaches face challenges in reliably detecting low-amplitude peripheral nerve signals, limiting exoskeleton functionality for patients with motor deficits. The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) addresses this by biologically amplifying nerve signals up to 100-fold, improving motor intent detection accuracy. This biologic interface supports translational neuroprosthetic development by enhancing signal fidelity without adverse effects on nerve or muscle tissue.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of peripheral nerve signaling pathways through amplified compound muscle action potential readouts.
- Operational Value: Provides a stable, long-term biological interface for consistent signal acquisition in preclinical models.
- Strategic Value: Supports target validation by improving signal-to-noise ratio in motor pathway studies, reducing false negatives in target engagement assays.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable compound muscle action potentials (CMAPs) in the millivolt range, enabling precise electrophysiological screening of neuromodulatory compounds.
- Operational Value: Offers a reproducible biological amplification system compatible with standard electrophysiology equipment for high-throughput assay integration.
- Strategic Value: Facilitates assay standardization across labs by using a well-characterized, reinnervated muscle-nerve construct with minimal fibrosis.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates disease-relevant signal amplification in rodent models, supporting preclinical evaluation of neuroprosthetic control strategies.
- Operational Value: Enables longitudinal studies due to long-term stability and lack of foreign body reaction, reducing variability in chronic efficacy studies.
- Strategic Value: Supports go/no-go decisions in exoskeleton development by providing a validated platform for motor intent detection prior to clinical translation.
Pipeline & Workflow Integration
The MC-RPNI fits within the discovery continuum from target validation through lead optimization to preclinical assessment, particularly for neuromodulators and neuroprosthetic controllers targeting peripheral motor pathways.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of nerve-muscle communication by amplifying efferent signals for clear detection in electrophysiological readouts.
- Screening: Enables assay readiness through stable, reinnervated grafts that produce consistent CMAP waveforms suitable for compound library screening.
- Analytics: Delivers quantitative, threshold-based outputs (e.g., CMAP amplitude >20 mV) that allow objective comparison of experimental conditions and compound effects.
- Translational Research: Bridges discovery to preclinical work by providing a biologically integrated interface that mirrors native neuromuscular junction physiology.
- Enterprise Reuse: Represents a platform technology applicable across multiple peripheral nerve targets and disease models, reducing redevelopment costs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in target modulation by converting microvolt nerve signals to detectable millivolt muscle responses.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized surgical preparation and histological validation of reinnervation (e.g., H&E, immunohistochemistry).
- Strategic Value: Reduces late-stage failure risk by improving early detection of bioactive compounds that affect motor pathways.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuroprosthetic projects based on validated signal detection capability in preclinical models.
Implementation Considerations
- Requires microsurgical expertise in peripheral nerve dissection and muscle graft preparation.
- Dependent on sterile surgical facilities and precision instrumentation (e.g., microdissection scissors, forceps).
- Necessitates standardized postoperative care and timed maturation periods (e.g., 3 months in rats) for reliable reinnervation.
- Requires electrophysiological setup capable of stimulating nerves and recording CMAPs with appropriate filtering and amplification.
- Limited to species where autologous muscle grafting and peripheral nerve accessibility are feasible; scalability to larger models demands validation.
