La interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular para la amplificación de señales nerviosas periféricas intactas
13 de enero de 2022
Este manuscrito proporciona un método innovador para desarrollar una interfaz nerviosa periférica biológica denominada Interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular (MC-RPNI). Esta construcción quirúrgica puede amplificar las señales eferentes motoras de su nervio periférico asociado para facilitar la detección precisa de la intención motora y el control potencial de los dispositivos de exoesqueleto.
Las señales nerviosas fisiológicas están en el nivel de microvoltios, que es demasiado pequeño para registrar con los electrodos disponibles actualmente de manera confiable. El MC-RPNI puede interactuar con nervios periféricos intactos, amplificando las pequeñas señales más de cien veces para facilitar la detección confiable y precisa de la intención del motor. La principal ventaja de esta técnica es su naturaleza biológica.
Puede interactuar con nervios periféricos intactos a largo plazo sin causar un efecto perjudicial en el nervio mismo o objetivos musculares inervados distalmente. Los dispositivos de exoesqueleto motorizados capaces de restaurar la función de las personas con debilidad en las extremidades rara vez se utilizan en todo su potencial debido a la incapacidad de detectar la intención motora de manera confiable y precisa. Debido a sus capacidades biológicas de amplificación de la señal nerviosa, el manguito muscular RPNI es la respuesta a estas deficiencias.
Haga una incisión longitudinal a lo largo de la cara anterior de la extremidad posterior del donante deseada, que se extiende desde justo por encima del tobillo hasta justo debajo de la rodilla con un bisturí número 15. Diseccionar el tejido subcutáneo subyacente con tijeras de iris afiladas para exponer la musculatura subyacente y los tendones distales justo proximales a la articulación del tobillo. Aísle el músculo EDL y su tendón distal de la musculatura circundante.
Asegure el aislamiento del tendón correcto insertando ambos dientes de un fórceps o tijera de iris debajo del tendón distal justo proximal a la articulación del tobillo. Abra los fórceps o tijeras para ejercer presión hacia arriba sobre el tendón. Realizar una tenotomía distal del músculo EDL a nivel del tobillo con tijeras de iris afiladas y diseccionar el músculo libre de los tejidos circundantes trabajando proximalmente hacia su origen tendinoso.
Una vez visualizado el tendón proximal, realizar una tenotomía proximal con tijeras de iris afiladas para liberar el injerto, recortar ambos extremos tendinosos del injerto muscular y cortar a la longitud deseada con tijeras afiladas para el iris. Haga una incisión longitudinal a lo largo de toda la longitud recortada en un lado del injerto muscular para facilitar la colocación del nervio dentro del injerto muscular y proporcionar contacto del nervio con el endomisio. Coloque el injerto muscular preparado en una gasa humedecida con solución salina para evitar la desecación del tejido.
Marque la incisión quirúrgica, que se extiende desde una línea de aproximadamente 5 milímetros desde la muesca ciática hasta la articulación inferior de la rodilla. Incide a través de la piel y los tejidos subcutáneos a lo largo de la línea de incisión marcada con una cuchilla número 15. Incide cuidadosamente a través de la fascia femorosa del bíceps subyacente, teniendo cuidado de no extenderse a través de toda la profundidad del músculo ya que el nervio ciático se encuentra justo debajo.
Luego disecciona cuidadosamente a través del músculo femoroso del bíceps con tijeras pequeñas de punta roma o un hemostático. Identifique el nervio perineal o CP común y aíslelo cuidadosamente de los nervios circundantes con un par de micro fórceps y micro tijeras. Retire cualquier tejido conectivo circundante de los 2 centímetros medios del nervio, teniendo cuidado de no aplastar el nervio.
Sostenga el epineuro proximal con microfórceps sobre la porción más central del nervio CP liberado y corte el epineuro inmediatamente con tijeras de microdisección. Luego, viaje distalmente a lo largo del nervio para hacer una ventana epineurial que coincida con la longitud del injerto muscular y elimine alrededor del 25% del epineuro. Tenga cuidado de eliminar este segmento en una sola pieza.
Retire el injerto muscular de la gasa humedecida con solución salina y colóquelo debajo de la porción central del nervio PC donde se creó la ventana epineurial. Gire el nervio 180 grados para que la sección de la ventana epineurial toque el músculo intacto y no subyaca a la línea de sutura eventual. Suturar el epineuro del nervio CP con un 8-O Sutura de nylon proximal y distalmente al injerto muscular dentro del surco con suturas simples interrumpidas para asegurar el epineuro al endomisio.
Envolver circunferencialmente los bordes en el injerto muscular que rodea el nervio ahora asegurado y suturar en su lugar con 8-O interrumpido Puntadas de nylon. Una vez que se logra la hemostasia, cierre la fascia femorosa del bíceps sobre la construcción con sutura crómica 5-O en forma de carrera. Cierre la piel suprayacente con una sutura crómica 4-O en forma de correr.
La tinción H&E de una sección transversal MC-RPNI muestra el músculo y el nervio. La sección transversal del músculo EDL inervado distalmente ipsilateral en una rata con un MC-RPNI demostró tejido nervioso y muscular viable sin fibrosis o cicatrización significativa en comparación con la sección transversal en una rata control sin un MC-RPNI. La inmunohistoquímica de una sección longitudinal de una muestra MC-RPNI muestra núcleos teñidos de azul con DAPI y tejido nervioso teñido de verde.
Un primer plano de otro MC-RPNI exitoso muestra múltiples uniones neuromusculares inervadas teñidas con alfa-bungarotoxina en rojo para los receptores de acetilcolina. Las pruebas electrofisiológicas realizadas en las construcciones MC-RPNI mostraron que los potenciales de acción muscular compuestos generados o formas de onda CMAP son similares en apariencia al músculo nativo, lo que respalda aún más que se han reinervado por su nervio contenido. Los CMAP generados por el músculo EDL fisiológico después de la estimulación nerviosa CP proximal generalmente varían de 20 a 30 milivoltios.
Los CMAP de EDL en ratas con MC-RPNI implantados no son significativamente diferentes, con un promedio de 24.27 milivoltios más o menos 1.34 milivoltios. Es crucial practicar hacer una ventana epineurial antes de usarla en un estudio. El epineuro es una cubierta muy delgada y frágil en el nervio, y dañar las fibras nerviosas subyacentes puede alterar los resultados de maneras altamente impredecibles.
Estas construcciones se consideran maduras en ratas después de 3 meses, y sus capacidades de personalización son infinitas. Después de la maduración, el MC-RPNI se puede utilizar en evaluaciones fisiológicas, análisis electrofisiológicos y pruebas de fuerza muscular, por nombrar algunos. La neurorrafia de extremo a lado es un concepto relativamente nuevo dentro de la cirugía donde un nervio transeccionado se recubre a un nervio periférico intacto que induce el brote colateral del nervio intacto al segmento injertado.
Hemos descubierto que este fenómeno también ocurre en el músculo injertado directamente en el nervio intacto y las posibilidades de más investigación son fascinantes.
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Visión general
Este manuscrito presenta la Interfaz Periférica de Nervio Regenerativo con Manguito Muscular (MC-RPNI), un método innovador para desarrollar una interfaz de nervio periférico biológico. Esta construcción quirúrgica amplifica las señales eferente motoras de los nervios periféricos, mejorando la detección de la intención motora para el potencial control de dispositivos de exoesqueleto.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Ingeniería biomédica
- Neuroprótesis
Antecedentes
- Las señales nerviosas fisiológicas suelen estar en el rango de microvoltios.
- Los electrodos actuales luchan por registrar de manera confiable estas pequeñas señales.
- La MC-RPNI puede interactuar con nervios periféricos intactos a largo plazo.
- Este método no afecta adversamente los objetivos nerviosos o musculares.
Propósito del estudio
- Desarrollar una interfaz biológica que amplifique las señales nerviosas.
- Mejorar la confiabilidad de la detección de la intención motora.
- Mejorar la funcionalidad de los dispositivos de exoesqueleto motorizados.
Métodos utilizados
- Desarrollo de la Interfaz Periférica de Nervio Regenerativo con Manguito Muscular.
- Amplificación de señales nerviosas más de cien veces.
- Interactuación a largo plazo con nervios periféricos.
- Evaluación de la precisión en la detección de señales.
Resultados principales
- La MC-RPNI amplificó con éxito las señales nerviosas fisiológicas.
- Se logró una detección confiable de la intención motora.
- La técnica demostró compatibilidad a largo plazo con los tejidos nerviosos.
- Se identificaron aplicaciones potenciales en el control de dispositivos de exoesqueleto.
Conclusiones
- La MC-RPNI aborda las limitaciones de los métodos actuales de detección de señales nerviosas.
- Esta interfaz biológica puede mejorar significativamente las aplicaciones neuroprotésicas.
- La investigación futura puede expandir su uso en la restauración de la función motora.
Preguntas frecuentes
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.
