L'interfaccia nervosa periferica rigenerativa della cuffia muscolare per l'amplificazione dei segnali nervosi periferici intatti
13 gennaio 2022
Questo manoscritto fornisce un metodo innovativo per lo sviluppo di un'interfaccia biologica dei nervi periferici denominata Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Questo costrutto chirurgico può amplificare i segnali efferenti motori del nervo periferico associato per facilitare il rilevamento accurato dell'intento motorio e il potenziale controllo dei dispositivi esoscheletrici.
I segnali nervosi fisiologici sono al livello dei microvolt, che è troppo piccolo per essere registrato con elettrodi attualmente disponibili in modo affidabile. L'MC-RPNI può interfacciarsi con i nervi periferici intatti, amplificando i piccoli segnali oltre cento volte per facilitare il rilevamento affidabile e accurato dell'intento motorio. Il vantaggio principale di questa tecnica è la sua natura biologica.
Può interfacciarsi con i nervi periferici intatti a lungo termine senza causare un effetto dannoso sul nervo stesso o bersagli muscolari innervati distale. I dispositivi esoscheletri alimentati in grado di ripristinare la funzione a coloro che soffrono di debolezza degli arti sono raramente utilizzati al massimo delle loro potenzialità a causa dell'incapacità di rilevare l'intento motorio in modo affidabile e accurato. Grazie alle sue capacità di amplificazione del segnale nervoso biologico, la cuffia muscolare RPNI è la risposta a queste carenze.
Fare un'incisione longitudinale lungo l'aspetto anteriore dell'arto posteriore donatore desiderato, estendendosi da appena sopra la caviglia a poco sotto il ginocchio con un bisturi numero 15. Sezionare il tessuto sottocutaneo sottostante con forbici dell'iride affilate per esporre la muscolatura sottostante e i tendini distali appena prossimali all'articolazione della caviglia. Isolare il muscolo EDL e il suo tendine distale dalla muscolatura circostante.
Garantire l'isolamento del tendine corretto inserendo entrambi i denti di una pinza o di una forbice dell'iride sotto il tendine distale appena prossimale all'articolazione della caviglia. Aprire la pinza o le forbici per esercitare una pressione verso l'alto sul tendine. Eseguire una tenotomia distale del muscolo EDL a livello della caviglia con forbici dell'iride affilate e sezionare il muscolo libero dai tessuti circostanti lavorando prossimalmente verso la sua origine tendinea.
Una volta visualizzato il tendine prossimale, eseguire una tenotomia prossimale con forbici dell'iride affilate per liberare l'innesto, tagliare entrambe le estremità tendinee dell'innesto muscolare e tagliare alla lunghezza desiderata con forbici dell'iride affilate. Fare un'incisione longitudinale lungo l'intera lunghezza tagliata su un lato dell'innesto muscolare per facilitare il posizionamento del nervo all'interno dell'innesto muscolare e fornire il contatto del nervo con l'endomisio. Posizionare l'innesto muscolare preparato in una garza inumidita con soluzione salina per prevenire l'essiccazione dei tessuti.
Segnare l'incisione chirurgica, che si estende da una linea di circa 5 millimetri dalla tacca sciatica all'articolazione inferiore del ginocchio. Incidere attraverso la pelle e i tessuti sottocutanei lungo la linea di incisione marcata con una lama numero 15. Incidere con cura attraverso il bicipite sottostante la fascia femorosa, facendo attenzione a non estendersi attraverso l'intera profondità del muscolo poiché il nervo sciatico si trova appena sotto.
Quindi sezionare attentamente attraverso il muscolo femoroso bicipite con piccole forbici a punta smussata o un emostato. Identificare il nervo perineale comune o CP e isolarlo attentamente dai nervi circostanti con un paio di micro pinze e micro forbici. Rimuovere qualsiasi tessuto connettivo circostante dai 2 centimetri centrali del nervo, facendo attenzione a non schiacciare il nervo.
Tenere l'epineurio prossimale con micro pinze sulla porzione più centrale del nervo CP liberato e tagliare immediatamente l'epineurium con le forbici per microdissezione. Quindi, viaggiare distalmente lungo il nervo per creare una finestra epineuriale corrispondente alla lunghezza dell'innesto muscolare e rimuovere circa il 25% dell'epineurio. Fai attenzione a rimuovere questo segmento in un unico pezzo.
Rimuovere l'innesto muscolare dalla garza inumidita dalla soluzione salina e posizionarlo sotto la porzione centrale del nervo CP dove è stata creata la finestra epineuriale. Ruotare il nervo di 180 gradi in modo che la sezione della finestra epineuriale tocchi il muscolo intatto e non sia alla base dell'eventuale linea di sutura. Suturare l'epineurio del nervo CP con un 8-O Sutura di nylon prossimale e distalmente all'innesto muscolare all'interno del solco con semplici suture interrotte per assicurare l'epineurium all'endomisio.
Avvolgere circonferenzialmente i bordi dell'innesto muscolare che circonda il nervo ora assicurato e la sutura in posizione con 8-O interrotto punti di nylon. Una volta raggiunta l'emostasi, chiudere la fascia femorosa del bicipite sul costrutto con sutura cromica 5-O in modo da corsa. Chiudere la pelle sovrastante con una sutura cromica 4-O in modo da corsa.
La colorazione H & E di una sezione trasversale MC-RPNI mostra il muscolo e il nervo. La sezione trasversale del muscolo EDL innervato distalmente omolaterale in un ratto con un MC-RPNI ha dimostrato tessuto nervoso e muscolare vitale senza alcuna fibrosi significativa o cicatrizzazione rispetto alla sezione trasversale in un ratto di controllo senza MC-RPNI. L'immunoistochimica di una sezione longitudinale di un campione MC-RPNI mostra nuclei colorati di blu con DAPI e tessuto nervoso colorato di verde.
Un primo piano di un altro MC-RPNI di successo mostra più giunzioni neuromuscolari innervate colorate con alfa-bungarotoxin in rosso per i recettori dell'acetilcolina. I test elettrofisiologici eseguiti sui costrutti MC-RPNI hanno mostrato che i potenziali d'azione dei muscoli composti generati o forme d'onda CMAP sono simili nell'aspetto al muscolo nativo, sostenendo ulteriormente che sono stati reinnervati dal loro nervo contenuto. I CMAP generati dal muscolo EDL fisiologico dopo stimolazione del nervo CP prossimale variano tipicamente da 20 a 30 millivolt.
I CMAP EDL nei ratti con MC-RPNI impiantati non sono significativamente diversi, con una media di 24,27 millivolt più o meno 1,34 millivolt. È fondamentale esercitarsi a creare una finestra epineuriale prima di utilizzarla in uno studio. L'epineurio è una copertura molto sottile e fragile sul nervo e danneggiare le fibre nervose sottostanti può alterare i risultati in modi altamente imprevedibili.
Questi costrutti sono considerati maturi nei ratti dopo 3 mesi e le loro capacità di personalizzazione sono infinite. Dopo la maturazione, l'MC-RPNI può essere utilizzato in valutazioni fisiologiche, analisi elettrofisiologiche e test della forza muscolare per citarne alcuni. La neurorrafia end-to-side è un concetto relativamente nuovo all'interno della chirurgia in cui un nervo transettato viene associato a un nervo periferico intatto che induce collaterale che germoglia dal nervo intatto nel segmento innestato.
Abbiamo scoperto che questo fenomeno si verifica anche nel muscolo innestato direttamente sul nervo intatto e le possibilità di ulteriori ricerche sono affascinanti.
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Panoramica
Questo manoscritto presenta il Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI), un metodo innovativo per sviluppare un'interfaccia biologica del nervo periferico. Questo costrutto chirurgico amplifica i segnali effeenti motori dai nervi periferici, migliorando il rilevamento dell'intento motorio per il potenziale controllo dei dispositivi esoscheletrici.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienze
- Ingegneria biomedica
- Neuroprotesi
Contesto
- I segnali nervosi fisiologici sono tipicamente nell'intervallo dei microvolt.
- Gli elettrodi attuali faticano a registrare in modo affidabile questi piccoli segnali.
- L'MC-RPNI può interfacciarsi con i nervi periferici intatti a lungo termine.
- Questo metodo non influisce negativamente sui bersagli nervosi o muscolari.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un'interfaccia biologica che amplifichi i segnali nervosi.
- Migliorare l'affidabilità del rilevamento dell'intento motorio.
- Migliorare la funzionalità dei dispositivi esoscheletrici alimentati.
Metodi utilizzati
- Sviluppo dell'interfaccia del nervo periferico rigenerativa Muscle Cuff.
- Amplificazione dei segnali nervosi oltre cento volte.
- Interfaccia a lungo termine con i nervi periferici.
- Valutazione dell'accuratezza del rilevamento del segnale.
Risultati principali
- L'MC-RPNI ha amplificato con successo i segnali nervosi fisiologici.
- È stato ottenuto un rilevamento affidabile dell'intento motorio.
- La tecnica ha dimostrato una compatibilità a lungo termine con i tessuti nervosi.
- Sono state identificate potenziali applicazioni nel controllo dei dispositivi esoscheletrici.
Conclusioni
- L'MC-RPNI affronta i limiti dei metodi attuali di rilevamento dei segnali nervosi.
- Questa interfaccia biologica può migliorare significativamente le applicazioni neuroprotesi.
- La ricerca futura potrebbe espandere il suo utilizzo nel ripristino della funzione motoria.
Domande frequenti
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.
