De spiermanchet regeneratieve perifere zenuwinterface voor de versterking van intacte perifere zenuwsignalen
13 januari 2022
Dit manuscript biedt een innovatieve methode voor het ontwikkelen van een biologische perifere zenuwinterface genaamd de Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Deze chirurgische constructie kan de bijbehorende perifere zenuw efferente signalen versterken om nauwkeurige detectie van motorische intentie en de potentiële controle van exoskeletapparaten te vergemakkelijken.
Fysiologische zenuwsignalen bevinden zich op het niveau van microvolts, wat veel te klein is om betrouwbaar vast te leggen met momenteel beschikbare elektroden. De MC-RPNI kan communiceren met intacte perifere zenuwen, waardoor de kleine signalen meer dan honderd keer worden versterkt om een betrouwbare en nauwkeurige detectie van motorische intenties mogelijk te maken. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is de biologische aard ervan.
Het kan op lange termijn communiceren met intacte perifere zenuwen zonder een schadelijk effect op de zenuw zelf of distally geïnnerveerde spierdoelen te veroorzaken. Aangedreven exoskeletapparaten die in staat zijn om de functie te herstellen voor mensen met extremiteitszwakte, worden zelden ten volle benut vanwege het onvermogen om motorische intentie betrouwbaar en nauwkeurig te detecteren. Vanwege de biologische zenuwsignaalversterkingsmogelijkheden is de spiermanchet RPNI het antwoord op deze tekortkomingen.
Maak een longitudinale incisie langs het voorste aspect van de gewenste donorachterhoek, die zich uitstrekt van net boven de enkel tot net onder de knie met een scalpel van nummer 15. Ontleed het onderliggende onderhuidse weefsel met een scherpe irisschaar om de onderliggende spieren en distale pezen net proximaal aan het enkelgewricht bloot te leggen. Isoleer de EDL-spier en de distale pees van de omliggende spieren.
Zorg voor isolatie van de juiste pees door beide tanden van een tang of irisschaar onder de distale pees net proximaal aan het enkelgewricht in te brengen. Open de tang of schaar om opwaartse druk uit te oefenen op de pees. Voer een distale tenotomie van de EDL-spier uit op enkelniveau met een scherpe irisschaar en ontleed de spier vrij van omliggende weefsels die proximaal naar zijn tendineuze oorsprong werken.
Zodra de proximale pees is gevisualiseerd, voert u een proximale tenotomie uit met een scherpe irisschaar om het transplantaat te bevrijden, knipt u beide tendineuze uiteinden van het spiertransplantaat bij en snijdt u op de gewenste lengte met een scherpe irisschaar. Maak een longitudinale incisie over de gehele bijgesneden lengte aan één kant van het spiertransplantaat om de plaatsing van de zenuw in het spiertransplantaat te vergemakkelijken en contact van de zenuw met het endomysium te bieden. Plaats het voorbereide spiertransplantaat in een zoutoplossing bevochtigd gaasje om uitdroging van het weefsel te voorkomen.
Markeer de chirurgische incisie, die zich uitstrekt van een lijn van ongeveer 5 millimeter van de ischiasinkeping tot het inferieure kniegewricht. Insnijden door de huid en onderhuidse weefsels langs de gemarkeerde incisielijn met een mesje nummer 15. Snijd voorzichtig door de onderliggende biceps femoreuze fascia en zorg ervoor dat u zich niet door de hele diepte van de spier uitstrekt, omdat de heupzenuw er net onder ligt.
Ontleed vervolgens zorgvuldig door de biceps femoreuze spier met een stompe kleine schaar of een hemostat. Identificeer de gemeenschappelijke perineale of CP-zenuw en isoleer deze zorgvuldig van de omliggende zenuwen met een paar microtangen en microscharen. Verwijder elk omringend bindweefsel uit de middelste 2 centimeter van de zenuw en zorg ervoor dat de zenuw niet wordt verbrijzeld.
Houd het proximale epineurium met microtang over het meest centrale deel van de vrijgekomen CP-zenuw en snijd onmiddellijk in het epineurium met een microdissectieschaar. Reis vervolgens distaal langs de zenuw om een epineuriaal venster te maken dat overeenkomt met de lengte van het spiertransplantaat en verwijder ongeveer 25% van het epineurium. Zorg ervoor dat u dit segment in één stuk verwijdert.
Verwijder het spiertransplantaat uit het zoutoplossing bevochtigde gaas en plaats het onder het centrale deel van de CP-zenuw waar het epineuriale venster is ontstaan. Draai de zenuw 180 graden zodat het epineuriale venstergedeelte de intacte spier raakt en niet ten grondslag ligt aan de uiteindelijke hechtlijn. Hecht het CP-zenuwepidemie met een 8-O nylon hechting proximaal en distaal aan het spiertransplantaat in de groef met eenvoudige onderbroken hechtingen om epineurium aan endomysium te bevestigen.
Omtrek wikkel de randen in het spiertransplantaat rond de nu beveiligde zenuw en hechting op hun plaats met onderbroken 8-O nylon steken. Zodra hemostase is bereikt, sluit u de biceps femoreuze fascia over het construct met 5-O chromische hechting op lopende wijze. Sluit de bovenliggende huid met een 4-O chromische hechting op een lopende manier.
H&E-kleuring van een MC-RPNI-doorsnede toont de spier en de zenuw. Dwarsdoorsnede van de ipsilaterale dissilaterale geïnnerveerde EDL-spier bij een rat met een MC-RPNI toonde levensvatbaar zenuw- en spierweefsel zonder significante fibrose of littekens in vergelijking met de doorsnede bij een controlerat zonder een MC-RPNI. Immunohistochemie van een longitudinaal gedeelte van een MC-RPNI-monster toont kernen blauw gekleurd met DAPI en zenuwweefsel groen gekleurd.
Een close-up van een andere succesvolle MC-RPNI toont meerdere geïnnerveerde neuromusculaire juncties gekleurd met alfa-bungarotoxine in rood voor acetylcholinereceptoren. Elektrofysiologische tests uitgevoerd bij de MC-RPNI-constructies toonden aan dat de gegenereerde samengestelde spieractiepotentialen of CMAP-golfvormen qua uiterlijk vergelijkbaar zijn met inheemse spieren, wat verder ondersteunt dat ze opnieuw zijn geïnnerveerd door hun ingesloten zenuw. CMAP's gegenereerd door fysiologische EDL-spieren na proximale CP-zenuwstimulatie variëren meestal van 20 tot 30 millivolt.
EDL CMAP's bij ratten met geïmplanteerde MC-RPNI's zijn niet significant verschillend, gemiddeld 24,27 millivolt plus of min 1,34 millivolt. Het is cruciaal om te oefenen met het maken van een epineuriaal venster voordat u het in een onderzoek gebruikt. Het epineurium is een zeer dunne, fragiele bedekking van de zenuw en het beschadigen van de onderliggende zenuwvezels kan de resultaten op zeer onvoorspelbare manieren veranderen.
Deze constructies worden na 3 maanden als volwassen beschouwd bij ratten en hun aanpassingsmogelijkheden zijn eindeloos. Na rijping kan de MC-RPNI worden gebruikt bij fysiologische beoordelingen, elektrofysiologische analyse en spierkrachttesten om er maar een paar te noemen. End-to-side neurorrhaphy is een relatief nieuwer concept binnen de chirurgie waarbij een getranseceerde zenuw wordt gecoapeerd naar een intacte perifere zenuw die collateral induceert dat uit de intacte zenuw in het getransplanteerde segment ontspruit.
We hebben ontdekt dat dit fenomeen ook voorkomt in spieren die rechtstreeks op de intacte zenuw zijn geënt en de mogelijkheden voor verder onderzoek zijn fascinerend.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit manuscript presenteert de Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI), een innovatieve methode voor het ontwikkelen van een biologische perifere zenuwinterface. Deze chirurgische construct versterkt motorische efferente signalen van perifere zenuwen, waardoor de detectie van motorische intentie voor mogelijke controle van exoskeletapparaten wordt verbeterd.
Belangrijke studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biomedische techniek
- Neuroprothetiek
Achtergrond
- Fysiologische zenuwsignalen bevinden zich typisch in het microvoltbereik.
- Huidige elektroden hebben moeite om deze kleine signalen betrouwbaar op te nemen.
- De MC-RPNI kan langdurig interfacen met intacte perifere zenuwen.
- Deze methode heeft geen nadelige effecten op de zenuw- of spierdoelen.
Doel van het onderzoek
- Om een biologische interface te ontwikkelen die zenuwsignalen versterkt.
- Om de betrouwbaarheid van het detecteren van motorische intentie te verbeteren.
- Om de functionaliteit van aangedreven exoskeletapparaten te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van de Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface.
- Versterking van zenuwsignalen meer dan honderd keer.
- Langdurige interface met perifere zenuwen.
- Evaluatie van de nauwkeurigheid van signaalverwerking.
Belangrijkste resultaten
- De MC-RPNI versterkte met succes fysiologische zenuwsignalen.
- Betrouwbare detectie van motorische intentie werd bereikt.
- De techniek toonde langdurige compatibiliteit met zenuwweefsels.
- Mogelijke toepassingen in het besturen van exoskeletapparaten werden geïdentificeerd.
Conclusies
- De MC-RPNI gaat de beperkingen van huidige zenuwsignaaldetectiemethoden aan.
- Deze biologische interface kan neuroprothetische toepassingen aanzienlijk verbeteren.
- Toekomstig onderzoek kan het gebruik ervan uitbreiden in het herstellen van motorische functies.
Veelgestelde vragen
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.
