Impianto e controllo di sistemi wireless senza batteria per l'interfacciamento dei nervi periferici
20 ottobre 2021
Si tratta di un protocollo per l'impianto chirurgico e il funzionamento di un'interfaccia alimentata in modalità wireless per i nervi periferici. Dimostriamo l'utilità di questo approccio con esempi di stimolatori nervosi posizionati sul nervo sciatico o frenico del ratto.
La lesione dei nervi periferici è abbastanza comune. La stimolazione elettrica ha mostrato un effetto terapeutico sulla rigenerazione nervosa. Quindi qui abbiamo mostrato un metodo generalizzato sull'impianto dell'interfaccia nervosa e sull'utilizzo del dispositivo.
Questa tecnica evita che gli elettrocateteri passino attraverso la pelle, che possono essere siti di infezione. Lo stimolatore impiantato può essere alimentato in modalità wireless e sintonizzato sulle esigenze di trattamento. Questo dispositivo di stimolazione elettrica ha un elevato potenziale terapeutico per migliorare la rigenerazione dei nervi periferici dopo lesioni o malattie, aiutando a ripristinare la funzione persa che altrimenti potrebbe rimanere compromessa.
Isolare il nervo e ottenere un buon contatto con la cuffia richiede delicatezza. Non afferrare mai il nervo direttamente con gli strumenti, ma manipolare il nervo con strumenti smussati e mantenere un posizionamento privo di tensione. Prima di iniziare la procedura chirurgica, posizionare il ratto in posizione prona su un tavolo di preparazione e confermare la profondità appropriata dell'anestesia controllando il riflesso pinnale.
Per l'intera durata dell'intervento chirurgico, continuare a valutare la frequenza respiratoria, il colore dei tessuti e la profondità dell'anestesia ogni 15 minuti e mantenere i livelli di fluoro iso di conseguenza. Monitora le mucose, che dovrebbero rimanere rosa e umide. Metti il topo sul tavolo di preparazione.
Radere l'area chirurgica, compresa la gamba destra e la metà inferiore della schiena. Una volta terminato, spostare l'animale sul tavolo operatorio e strofinare l'area chirurgica rasata con un tampone Betadine, seguito da un tampone di etanolo al 70% tre volte. Utilizzare le forbici per tessuti per praticare un'incisione nella pelle parallela all'osso del femore destro, seguita da una separazione smussata del tessuto connettivo sottocutaneo sul dorso, direttamente medialmente all'incisione per liberare una tasca sottocutanea per la bobina ricevente.
Quindi praticare una successiva incisione sul muscolo gluteo destro parallelamente all'incisione cutanea. Con l'aiuto di sonde di dissezione metalliche con estremità smussate, isolare il nervo sciatico e quindi impiantare il dispositivo wireless senza batteria sul nervo sciatico isolato avvolgendo la cuffia senza mettere il nervo in tensione o distorcere il suo percorso. Una volta fatto, segna sulla pelle dove è posizionata la bobina ricevente per un'ulteriore stimolazione elettrica.
Suturare l'incisione del muscolo gluteo utilizzando punti di sutura riassorbibili. Racchiudere l'incisione cutanea con clip per ferite facendo combaciare i bordi della pelle. Per un'ora dopo l'intervento, fornire una stimolazione elettrica continua a 20 hertz con un'ampiezza dell'impulso di 200 microsecondi all'animale sotto anestesia.
Dopo essersi completamente ripreso dall'anestesia, riportare l'animale nella gabbia di casa. Dopo aver preparato l'impacco per la procedura chirurgica come descritto in precedenza, radere l'area chirurgica sulla faccia ventrale del collo. Spostare l'animale sul tavolo operatorio e strofinare l'area chirurgica rasata con un tampone Betadine, seguito da un tampone di etanolo al 70% tre volte.
Successivamente, praticare un'incisione di tre centimetri sulla linea mediana attraverso la pelle nella fascia cervicale superficiale del ratto anestetizzato per esporre i muscoli sternoideo e sternocleidomastoideo. Utilizzare una sonda per la dissezione del sangue per sollevare il muscolo sternocleidomastoideo prima di ritrarre lateralmente lo sternocleidomastoideo utilizzando un anello vasale. Quindi, liberare e ritrarre il muscolo omoioideo, quindi liberare e ritrarre medialmente il nervo vago e il fascio carotideo sotto il muscolo omoioideo.
Isolare il nervo frenico. Impiantare il dispositivo wireless senza batteria sul nervo frenico posizionando la bobina ricevente del dispositivo sullo sternoideo, in profondità rispetto ai muscoli sternocleidomastoidei bilaterali, con la cuffia attorno al nervo frenico e gli elettrodi di contatto posizionati perpendicolarmente al nervo. Chiudere la pelle con punti di sutura invertiti riassorbibili nel derma profondo.
Per un'ora dopo l'intervento, fornire una stimolazione elettrica continua a 20 hertz con un'ampiezza dell'impulso di 200 microsecondi all'animale sotto anestesia. Dopo il completo recupero dall'anestesia, riportare l'animale nella gabbia di casa. Per la stimolazione wireless, utilizzare un generatore di funzioni di forma d'onda per fornire energia elettrica a una bobina di trasmissione induttiva esterna.
Abbina la frequenza di risonanza e il posizionamento della bobina del ricevitore impiantato per garantire un buon accoppiamento induttivo. Una volta terminata l'impostazione, erogare impulsi monofasici di 200 microsecondi a 20 hertz per un'ora. Per verificare e quantificare l'erogazione della stimolazione elettrica, registrare i potenziali d'azione muscolari composti, o CMAP, dal muscolo tibiale anteriore mentre si regola la tensione di stimolazione per fornire un'attivazione sovramassimale del nervo sciatico.
La lesione completa della transezione del nervo frenico è stata confermata nello studio evocando una risposta di contrazione. Prima della transezione, la stimolazione elettrica del nervo frenico evocava potenziali d'azione muscolari composti sul diaframma omolaterale, che è stata abolita dalla transezione del nervo frenico. Una risposta CMAP massimale suscitata dopo aver erogato un singolo impulso di stimolo alla sciatica destra da parte di un elettrodo a filo è stata confrontata con un elettrodo wireless.
È stato osservato che la stimolazione nervosa senza fili potrebbe raggiungere in media l'88% della CMAP dalla stimolazione nervosa basata su filo. L'analisi elettromiografica rappresentativa mostra quattro picchi sequenziali all'inizio e i 40 minuti della stimolazione elettrica a 20 hertz di un'ora. A 40 minuti, è stata notata una leggera diminuzione dell'ampiezza del picco.
Il grado di rigenerazione dei nervi periferici è stato valutato utilizzando traccianti retrogradi applicati distalmente al sito della lesione nervosa. Sono stati osservati i sottogruppi rigenerati del nervo tibiale o del nervo peroneale nel corno anteriore del midollo spinale lombare. Ricorda che la bobina di trasmissione deve essere ben allineata alla bobina ricevente per alimentare il dispositivo quando magari devi regolare la distanza, l'orientamento o la posizione per ottenere la massima efficacia.
Il metodo può essere eseguito anche su altre interfacce nervose preferite, come il rilascio di farmaci e l'optogenetica. La tecnica può essere eseguita per studiare vari meccanismi attraverso i quali la stimolazione elettrica porta a diversi effetti su nervi diversi.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per l'impianto chirurgico e il funzionamento di un'interfaccia alimentata in modo wireless per i nervi periferici, utilizzando esempi tratti dai nervi sciatico e frenico del ratto. Il metodo mira a potenziare la rigenerazione del nervo periferico dopo una lesione mediante stimolazione elettrica, evitando le complicazioni legate ai collegamenti esterni.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Elettrofisiologia
- Protocolli chirurgici
Sfondo
- Le lesioni dei nervi periferici possono compromettere significativamente la funzionalità.
- È stato dimostrato che la stimolazione elettrica favorisce la rigenerazione nervosa.
- I metodi tradizionali comportano rischi come infezioni dovute ai collegamenti attraverso la pelle.
- Questo studio introduce una soluzione senza fili per ridurre tali rischi.
Scopo dello studio
- Dimostrare un metodo chirurgico affidabile per l'impianto di un'interfaccia nervosa senza fili.
- Esplorare gli effetti terapeutici della stimolazione elettrica sulla rigenerazione nervosa.
- Fornire un protocollo adattabile applicabile a diverse interfacce nervose.
Metodi Utilizzati
- Impianto chirurgico di un dispositivo senza fili sui nervi sciatico e frenico del ratto.
- Isolamento delicato e posizionamento della cuffia nervosa per garantire un contatto adeguato.
- Dopo l'intervento chirurgico, viene somministrata una stimolazione elettrica continua per valutare la funzione nervosa.
- Gli esiti misurati includono potenziali d'azione muscolari composti (CMAPs) e rigenerazione nervosa mediante l'uso di traccianti retrogradi.
Risultati principali
- Il dispositivo wireless ha permesso risposte CMAP significative paragonabili ai metodi cablati, raggiungendo un'efficacia di circa l'88%.
- I metodi chirurgici hanno prodotto esiti positivi, con rigenerazione nervosa efficace osservata.
- L'analisi elettrofisiologica ha indicato un'attivazione affidabile dei muscoli bersaglio dopo la stimolazione.
Conclusioni
- Questo studio illustra un approccio chirurgico innovativo per l'interfacciamento nervoso che riduce i rischi di infezione.
- Evidenzia l'efficacia della stimolazione senza fili nel promuovere la rigenerazione nervosa.
- La tecnica ha ampie implicazioni per la comprensione della stimolazione elettrica in neurobiologia e per possibili applicazioni nella riparazione nervosa.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Le interfacce wireless e senza batteria per il sistema nervoso periferico affrontano una sfida traslazionale fondamentale in neuroterapia: consentire una stimolazione elettrica sostenuta senza l'utilizzo di elettrodi percutanei suscettibili di infezione. Questa capacità supporta la valutazione preclinica di strategie di neuromodulazione per la riparazione nervosa, offrendo una piattaforma scalabile per analizzare le relazioni dose-risposta e le finestre terapeutiche in modelli clinicamente rilevanti. Eliminando i vincoli legati ai collegamenti fissi, il sistema facilita studi cronici che riproducono più fedelmente i regimi di somministrazione clinici, migliorando l'affidabilità predittiva nella selezione dei candidati promettenti.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente la verifica di ipotesi sui parametri di stimolazione elettrica nei percorsi di rigenerazione del nervo periferico.
- Valore operativo: Fornisce una piattaforma riproducibile e priva di piombo per studi di stimolazione cronica in modelli murini.
- Valore predittivo: Quantifica il recupero funzionale mediante le ampiezze dei potenziali d'azione muscolari compositi (CMAP), supportando decisioni di tipo go/no-go nella validazione di bersagli di neuromodulazione.
Sviluppo di screening e saggi
- Prontezza del Saggio: Genera letture quantitative di tipo elettrofisiologico (CMAP) per valutare l'efficacia della stimolazione su diversi bersagli nervosi.
- Standardizzazione: La fornitura di energia senza fili garantisce un dosaggio costante tra gli animali, riducendo la variabilità nella somministrazione della stimolazione.
- Scalabilità: La piattaforma è adattabile a diverse interfacce nervose (sciatico, frenico), consentendo la valutazione parallela di più bersagli.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Rilevanza per le Malattie: Modella il danno e la riparazione del nervo periferico, in linea con le indicazioni della medicina rigenerativa.
- Continuità Traducibile: Permette la valutazione di protocolli di stimolazione destinati alla traduzione clinica in ambito di neuro-rigenerazione.
- Contenimento del Rischio: Riduce la variabilità biologica derivante da complicanze legate al tethering, migliorando l'affidabilità dei dati per studi preclinici finalizzati alla richiesta di autorizzazione sperimentale (IND).
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nel flusso di lavoro di scoperta, dalla validazione del bersaglio fino ai test di efficacia preclinica, in particolare per approcci di neuromodulazione mirati al ripristino del nervo periferico. Permette un'affinamento iterativo dei parametri di stimolazione prima di procedere a studi conformi ai principi di buona pratica di laboratorio (GLP).
- Biologia della scoperta: Supporta l'analisi meccanicistica di come i parametri di stimolazione influenzino la rigenerazione assonale e il recupero funzionale.
- Screening: Permette la somministrazione senza fili ad alta fedeltà di paradigmi di stimolazione per lo screening di composti o biomarcatori in modelli di lesione.
- Analisi: Le registrazioni del CMAP forniscono endpoint funzionali quantificabili per confrontare condizioni di stimolazione e regimi di dosaggio.
- Ricerca traslazionale: Collega l'elettrofisiologia acuta agli esiti cronici di rigenerazione, supportando decisioni di avanzamento o interruzione allineate ai biomarcatori.
- Riutilizzo aziendale: Un protocollo chirurgico e di stimolazione standardizzato consente il riutilizzo in più programmi di neurofarmaci.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica negli studi di stimolazione eliminando gli artefatti da fissazione e i fattori confondenti legati alle infezioni.
- Valore operativo: Consente una stimolazione cronica e a dosi ripetute senza l'uso di hardware esterno, migliorando il benessere animale e la coerenza dei dati.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale riducendo l'abbandono degli esperimenti dovuto al rumore biologico generato dai collegamenti percutanei.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione dei candidati alla neuromodulazione aggiustata per il rischio, basata su esiti funzionali duraturi e somministrati in modalità wireless.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze microchirurgiche nell'isolamento del nervo e nel posizionamento della cuffia senza tensione.
- È dipendente da un'infrastruttura per il trasferimento induttivo di energia, comprensiva di generatore di forme d'onda e bobina esterna di trasmissione.
- Necessita dell'allineamento della frequenza di risonanza tra le bobine esterne e quelle impiantate per un trasferimento efficiente dell'energia.
- L'adattamento a diversi siti nervosi richiede precisione anatomica e un posizionamento personalizzato delle bobine.
- La stabilità a lungo termine dipende dall'integrazione con i tessuti e dalla risposta immunitaria ai materiali impiantati, come indicato nella fonte.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:00
Introduction
0:58
Surgical Procedure for Implantation of a Wireless, Battery‐Free Peripheral Nerve Interface on the Right Sciatic Nerve of the Rat for Electrical Stimulation
3:07
Surgical Procedure for the Implantation of Wireless Stimulators on the Left Phrenic Nerve of the Rat
4:46
Wireless Delivery of Therapeutic Electrical Stimulation
5:29
Results: Nerve Conduction Studies, EMG Recording, and Nerve Regeneration in the Sciatic Nerve Injury Model
6:42
Conclusion
