成体ラットにおける複合再生性末梢神経インタフェース(C-RPNI)の作製

サマリー

以下の原稿は、複合再生性末梢神経界(C-RPNI)と呼ぶ生物学的、閉ループ神経フィードバックシステムを開発するための新しい方法を説明する。この構造は、末梢神経と統合して効率のよい運動信号を増幅すると同時に、感覚的フィードバックを提供する能力を有する。

要約

近年の神経補聴器の進歩により、四肢の喪失を伴う人々は、不在の四肢に自生する多くの機能を再現することができ、これはしばしば末梢神経系との統合によって達成される。残念なことに、現在採用されている方法は、多くの場合、長期使用を防止する重要な組織損傷に関連付けられている。さらに、これらのデバイスは、複雑な構造が、より単純な義足を使用する際にユーザーが以前に依存していた振動やその他の感覚を減衰させるため、意味のある程度の感覚フィードバックを欠くことがよくあります。複合再生型末梢神経界面(C-RPNI)は、同時の感覚フィードバックを提供しながら、効率のよい運動神経信号を増幅する能力を持つ安定した生物学的構造として開発されました。C-RPNIは、標的混合感覚運動神経の周りに固定された自由な皮膚および筋肉移植片のセグメントから構成され、筋肉移植片の優先運動神経再神経再生および皮膚移植片の感覚神経再ナー化を有する。ラットでは、この構造は、ミクロからミリボルトレベルのターゲット神経の信号を増幅する複合筋肉作用電位(CmAP)の生成を実証し、信号対雑音比は平均約30〜50である。構築物の真皮成分の刺激は、近位神経に化合物感覚神経作用電位(CSNAPs)を発生させる。このように、この構造は、理想的で直感的な義足の実現に向けて将来の有用性を期待しています。

概要

四肢切断は190^人に1人近くに影響を及ぼし、その有病率は現在の160万人から2050^年までに360万人以上に増加すると予測されている。千年を超える使用が文書化されているにもかかわらず、理想的な義足はまだ実現されていません³.現在、天然の四肢^4,5の多くの運動機能を再現する可能性を持つ複数の関節操作が可能な複雑な義足が存在する。しかし、これらのデバイスは、所望の義足運動が通常は入力制御信号と機能的に分離されるため、直感的とは見なされない。ユーザーは通常、これらの「高度な義足」を習得するのが難しいと考えるので、日常の使用に適していません^1,6.さらに、現在市場に出されている複雑な義足は、適切な制御のための微妙な感覚フィードバックのかなりの程度を提供していません。タッチ感とプロプリオセプションは、日常業務を遂行するために不可欠であり、これらの無しで、コーヒーを一杯拾うなどの単純な行為は、視覚的な手がかり^7、8、9に完全に依存するので負担になる。これらの理由から、高度なプロテーゼは、かなりの程度の精神的疲労に関連しており、しばしば負担が大きく、不十分な^5、10、11と記載されている。これに対処するために、いくつかの研究所は、直接的な神経相互作用^{12、13、14、15}を介して限られた程度の感覚フィードバックを提供することができる補足薬を開発したが^、フィードバックはしばしば手と指^12、13上の小さな散乱領域に限られ^、感覚は¹⁵時に痛みを伴い不自然であると指摘された。これらの研究の多くは、残念ながら、数週間から数ヶ月¹⁶のスケールでインターフェイスの失敗を示しながら、局所組織の効果を引き出すために、任意の顕著な長期的なフォローアップと神経組織学を欠いている。

この集団にとって、理想的な義足装置は、生涯を通じて個人の環境からの有意義な体性感覚フィードバックと一緒に高忠実度の運動制御を提供するであろう。上記の理想的な補足の設計に重要なのは、効率のよいモーター信号を用いた感覚的な感覚情報の同時送信を可能にする安定した、信頼できるインターフェースの開発である。現在のヒトと機械の界面の中で最も有望なものは、末梢神経系と直接相互作用するものであり、神経統合補足体の分野における最近の発展は、生体信号と機械的信号¹⁷の間のギャップを埋める方向に向けて取り組んでいる。現在利用されるインターフェイスは含める:適用範囲の神経版14、15、18、神経外カフ電極13、19、20、21、22、23、ティッシュ貫通電極24、25、31、32、および網状電極^{26、27 、28}.しかしながら、これらの方法のそれぞれは、神経特異性、組織損傷、軸索変性、ミエリン枯渇、および/または慢性の内在異物応答16、17、18、19に関連する瘢痕組織形成に関して制限を示している。最近では、最終的に埋め込まれた電極障害の背後にあるドライバーが、電子材料とネイティブ神経組織との間のヤング率の有意な差であると仮定されている。脳組織は日常的に著しい微小運動の対象であり、ヤング率の違いによって引き起こされる剪断応力が炎症を引き起こし、最終的には永久瘢痕^30、31、32が起こるという理論がなされている。この効果は、末梢神経が生理学的マイクロモーションと意図的な四肢の両方の大動の影響を受ける四肢にしばしば複合化される。この一定の動きのために、完全に好界の末梢神経界面の利用は理想的ではなく、生物学的成分との界面がより適していると結論付けるのが妥当である。

この生物学的要素の必要性に対処するために、私たちの研究室では、脳内の末梢神経を補聴器と共に残存する末梢神経を統合するために、再生末梢神経界(RPNI)と呼ぶ生体神経界面を開発しました。RPNIの製造は、自家自由筋移植片に末梢神経を外科的に移植することを含み、その後、血管再生と再ナーニングを行う。私たちの研究室は、動物と人間の両方の試験で埋め込まれた電極と組み合わせると運動信号を増幅し、送信することに成功し、複数の自由度^2、34で適切な義足制御を可能にし、過去10年間にこの生物学的神経インターフェースを開発しました。さらに、我々は、皮膚官能界(DSI)3、35と呼ぶ真皮移植片に埋め込まれた末梢神経の使用を通じて感覚フィードバックを別々に実証した。より遠位切断では、これらの構成体を同時に使用することは、標的末梢神経内の運動および感覚的な切断部が外科的に分離することができるので実現可能である。しかし、より近位レベル切断の場合、これは運動繊維と感覚繊維の混入による実現不可能である。複合再生末梢神経界面(C-RPNI)は、より近位切断のために開発され、真皮移植片のセグメントに固定された遊離筋移植片からなる構造に混合感覚運動神経を移植することを含む(図1)。末梢神経は優先的に標的再び再生を示し、したがって感覚線維は真皮移植片および運動繊維、筋肉移植片を再びインナーベートする。この構成体は、体性感覚フィードバック^を提供しながら同時にモータ信号を増幅する能力を有する(図2)、理想的で直感的で複雑な義足を実現する。

プロトコル

すべての動物実験は、ミシガン大学動物の使用とケアに関する委員会の承認を得て行われます。

注:ドナーラットは、皮膚および筋肉の寄付手順の前に、食物および水への無料アクセスが許可されています。安楽死は、深い麻酔下で行われ、続いて心臓内塩化カリウム注射が二次的な気胸の方法で行われる。任意のラット株は理論的にはこの実験で利用することができる;しかし、私たちの研究室は、生後2〜4ヶ月で、男性と雌のフィッシャーF344ラット(約200〜250g)の両方で一貫した結果を達成しました。ドナーラットは実験ラットに対して等原性でなければならない。

1. 真皮移植片の調製

1. 0.8-1 L/分で酸素中の5%イソファフルランの溶液を利用した誘導室でドナーラットを麻酔する。ラットが麻酔された後、誘導室から取り出し、再呼吸ノーズコーンの上に置き、麻酔の維持のためにイソファフルランを2〜2.5%に下げる。
2. 0.02-0.03 mL カルプロフェン(50 mg/mL)の溶液を0.2 mLの無菌生理食分で鎮痛のために肩甲骨の間に皮下に投与する。
3. 角膜潰瘍を予防するために、両眼に人工涙軟膏を塗布します。
4. クリッパーを使用して、下肢全体、足首領域、および足の側面を剃ります。
5. クレンジングは、アルコールで足の後肢と足底面を選択し、続いてヨードポビドネ溶液を選択し、残留ヨードポビドネを除去するためにアルコールで最終的なクレンジングで終わる。
6. 取り外し可能な丸い微細なグリット研磨石(4000rpm)を備えた手持ち型のマイクロモーター高速ドリルを使用して、足の足底面をバリで表皮を取り除きます。バリを塗りながら、皮膚を焼かないように生理食糸の点滴を適用します。基礎となる真皮は、ピンポイントの出血で光沢のある外観を持つことになります。
7. 血流を遅くするために、下肢に止血帯を適用します。
8. #15メスで足底の皮膚を鋭く取り除き、乾燥を防ぐために生理分解ガーゼに入れます。いくつかの腱および結合組織は、本質的にこのステップで皮膚と一緒に除去され、後で除去されます。
9. 出血を遅くするために出血の足にガーゼラップを適用します。2 つの構成を実行する場合は、手順 1.5-1.9 を繰り返します。
10. 顕微鏡(20倍の倍率)の下で、マイクロハサミを使用して皮膚移植片の深層から腱および結合組織を除去する。移植片に穴を開けないように注意してください。間引きされた真皮移植片は、真皮のみを含むわずかに不透明で、約0.5cm x 1.0cmの大きさである。
11. C-RPNI構築製造の準備ができるまで、生理食糸で湿らせたガーゼに入れられます。移植片は収穫の2時間以内に利用されるべきである。

2. 筋肉移植片の調製

1. 足首のすぐ上から膝のすぐ下まで、下肢の前肢に沿って#15メスで縦切開を行います。皮下組織を通して解剖し、基礎となる筋肉を露出させる。
2. 切開の遠位部分では、下肢筋肉の腱内挿入を露出する。チビアリス前部(TA)は、典型的には、筋肉の最大かつ最も前部であり、この筋肉のすぐ下と後部は、伸長体のデジタルンサムロンス(EDL)である。遠位EDL腱をその領域の他の腱から分離し、この時点でその挿入を切開しないように注意する。
3. 腱の下に鉗子の両方の尖叉を挿入し、腱の遠足を引き起こす鉗子を開くことによって上向きの圧力を加えることによって正しい腱の分離を保障する。この腱を操作すると、すべてのつま先が同時に伸びるはずです。
4. 鋭い虹彩ハサミで遠位テノトミーを行い、腱の起源を見つけるために近位で働くテノトミー(または他の鈍い先端のはさみ)で周囲の組織から筋肉を鈍く分離する。
5. 近位腱が可視化されたら、再び鋭い虹彩ハサミを利用してテノトミーを行う。乾燥を防ぐために、生理虫湿ガーゼに筋肉移植を入れる。
6. ドナーラットから所望のすべての移植片が除去されると、主に心臓内KCl注射(1-2 mEq K+/kg)、続いて#15ブレードを有する両側穿刺気胸を伴う二次安楽死によって安楽死させる。

3. 共通の腹膜神経の隔離と準備

1. 麻酔とステップ1.1-1.3で概説されたプロトコルに従って実験ラットに鎮痛を提供する。
2. 所望の太ももを剃り、アルコール、ベタジンでクレンジングし、アルコールで終わり、ベタジンの痕跡を取り除きます。
3. 外科準備テーブルから外科用顕微鏡テーブルに動物を移動し、体温維持のための温度プローブと加熱パッドの上に置きます。イソファフルランを2~2.5%、酸素を0.8-1 L/分に保つ。
4. 切開をマークし、単に遠位から坐骨神経痛のノッチまで膝の劣った部分に伸びる。このマーキングは、大腿骨より劣っており、大腿骨から離れて傾ける必要があります。下の上腕二頭筋炎筋膜を切開する#15ブレードで切開を行います。
5. 上腕二頭筋の下のスペースに止血または鈍い先端のマイクロハマシで上腕二頭筋を慎重に解剖する。
   注:坐骨神経は、最初に切開されたのとほぼ同じ方向に移動します。3つの枝があり、典型的には、表皮神経後部および共通の腹膜および脛骨神経がそれぞれ膝に表在および深部を移動する。
6. 一般的な腹膜(CP)神経の同定に続いて、マイクロ、細かい先端の鉗子とマイクロハサミのペアを使用して、慎重に他の坐骨神経からCP神経を分離し、遠位の残留結合組織を取り除く。
7. 神経が膝の表面を横切る時点で、一対のマイクロハサミで神経を鋭く横断する。
   注:鋭いはさみを使用することは、神経に重大な外傷を引き起こすことが神経腫形成のリスクを高めることができるので、このステップで非常に重要です。
8. 残りの結合組織をCP神経から慎重に解放し、近位で神経を約2cmの長さに解放します。

4. C-RPNIコンストラクチャの製作

1. 生理液を湿らせたガーゼから筋移植片を取り除き、すべての中心腱組織とエピミニウムの小さな中央セグメントを取り除きます。腱の端をそのままにしておきます。
2. 8-0 を使用するナイロン縫合糸は、CP神経のトランセクト端のエピニューリウムを、神経の両側に2つの中断されたステッチでエピミニウムを欠いた筋肉移植片の領域に固定する。
3. 1つの6-0ナイロンで大腿骨腹膜に筋肉移植片を固定し、大腿骨から離れた神経筋接合部で近位と遠位の両方のステッチを中断した。
   注:通常のリラックスした長さになるように、筋肉を固定します。筋肉を大幅に伸ばしたり、確保するときにあまりにも多くの怠惰を残さないことを試してみてください。
4. 8-0を配置するナイロンステッチは、筋肉移植片エピミウムの中枢マージンで、筋肉移植片内の神経の弛緩を作り出し、将来の緊張を緩和するのに役立つ方法でCP神経エピニューリウムにそれを確保し、後の歩行と共に暴露される可能性がある。
5. 生理潤いガーゼから皮膚移植片を取り出し、神経と筋肉の大部分を完全に覆うような方法で筋肉移植片に配置する。真皮の深いマージンが筋肉にかかっていることを確認してください。筋肉の境界を越えて延びる真皮をトリミングします。
6. 8-0を使用して円周筋移植片に皮膚移植片を固定するナイロンは縫合糸を中断しました。通常、4-8の総縫合は、構成のサイズに応じて使用されます。
7. 5-0のクロミック縫合糸でコンストラクトの上に上腕二頭筋炎筋を閉じます。
8. ランニングファッションで4-0クロミック縫合糸で覆う皮膚を閉じます。
9. アルコールパッドで外科領域を綿棒し、抗生物質軟膏を適用します。
10. 吸入麻酔を中止し、ラットがケージの仲間から分離された食料と水源で回復できるようにします。

結果

ラットが感染を発症したり、外科的麻酔を生き延びない場合、構築物の製作は失敗と考えられる。以前の研究では、これらの構造は、再血管化し、再びvate2、3、17、36を再び必要とすることが示されています。3ヶ月の回復期間に続いて、構造テストを追求して生存率を調べることができます。3ヶ月後の構成体の外科的暴露は、正常に行われれば血管新しくなって皮膚の血管新しくなりうる(図3)。時には、自由な筋肉および真皮移植片は瘢痕組織だけで構成することができ、および/または神経は構築物に取り付けられないだろう。これらの調査結果は、試行が失敗したことを示しています。しかし、成功した場合、コンストラクトに近位の鉗子を有する共通の腹膜神経の穏やかな圧迫は、目に見える筋肉収縮をもたらすだ...

ディスカッション

C-RPNIは、対象神経の運動効率信号を同時に増幅し、感覚フィードバックを提供する新しい構造です。特に、C-RPNIは、運動と感覚的なファシクルが手術中に機械的に容易に分離することができないので、近位切断と一緒に暮らす人々のためのユニークな有用性を有する。代わりに、C-RPNIは神経自体の固有の優遇再レンナー化特性を利用して、神経筋接合部への皮膚感覚末端器官および運動繊維への感覚線維再内化を促進する。

C-RPNIの製造は標的神経の再び発生する能力に依存するので、処置の間に神経の注意深い取り扱いが最も重要である。解剖中、標的神経への直接的な操作、および外傷を避ける。神経を処理する必要がある場合は、代わりに、上気圧または周囲の結合組織を操作することをお勧めします。私たちの研究室は、この構造内の神経腫形成に遭遇していないが、理論的には、重要な神経外傷はリスクを高める可能性があります。プロセスの追加の重要なステップは、真皮移植片の収穫である。すべての表皮組織は、保持された表皮が治癒過程で感染および包接嚢胞のリスクを高めることができるので、後葉移植片から取り除かなければならない。さらに、真...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
#15 Scalpel	Aspen Surgical, Inc	Ref 371115	Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
4-0 Chromic Suture	Ethicon	SKU# 1654G	P-3 リバースカッティングニードル
5-0 Chromic Suture	Ethicon	SKU# 687G	P-3 リバースカッティングニードル
6-0 Ethilon Suture	Ethicon	SKU# 697G	P-1 リバースカッティングニードル (ナイロン縫合糸)
8-0モノフィラメント縫合糸	AROSurgical	T06A08N14-13	ねじ付きテーパー針上のブラックポリアミドモノフィラメント縫合
実験ラット	Envigo	F344-NH-sd	ラットは Fischer F344 株
Fluriso (イソフルオラン)	VetOne	13985-528-40	吸入麻酔マイクロ
モーター高速ドリル ストーン	マスター メカニック	モデル 151369	ハンドヘルド回転工具;キットには、複数の細かいグリットストーン
酸素	極低温ガス	UN1072	標準医療グレードの酸素キャニスター
塩化カリウム	APP医薬品	63323-965-20	注射剤、2 mEq/mL
ポビドンヨウ	USP MediChoice	65517-0009-1	10% 局所溶液、複数の外科用準備に1本のボトルを使用することができます
Puralube 獣医眼軟膏	Dechra	17033-211-38	処置中に使用するための角膜保護軟膏
Rimadyl(Caprofen)	Zoetis、Inc.	NADA#141-199	注射剤、50 mg/mL
実体顕微鏡	ライカ	モデルM60	ユーザーは自分の好みに合わせて倍率を調整できます
手術器具	ファインサイエンスツール	様々な	ユーザーは、個人の好みに応じて、または現在自分の研究室で利用可能なものから器具を選ぶことができます
トリプル抗生物質軟膏	MediChoice	39892-0830-2	軟膏は無菌の使い捨てパケットで提供されます
VaporStick 3	Surgivet	V7015	イソフルオランと酸素キャニスター用のスペースを備えた麻酔塔
Webcol Alcohol Prep	Coviden	Ref 6818	アルコール準備ワイプ; 準備ごとに新しいワイプを使用してください