Regeneracyjny interfejs nerwów obwodowych mankietu mięśniowego do wzmacniania nienaruszonych sygnałów nerwów obwodowych
13 stycznia 2022
Ten manuskrypt dostarcza innowacyjnej metody rozwoju biologicznego interfejsu nerwów obwodowych, zwanego Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Ten konstrukt chirurgiczny może wzmacniać sygnały odprowadzające motoryczne nerwu obwodowego, aby ułatwić dokładne wykrywanie intencji motorycznej i potencjalną kontrolę urządzeń egzoszkieletowych.
Fizjologiczne sygnały nerwowe są na poziomie mikrowoltów, który jest zdecydowanie zbyt mały, aby można je było wiarygodnie rejestrować za pomocą obecnie dostępnych elektrod. MC-RPNI może komunikować się z nienaruszonymi nerwami obwodowymi, wzmacniając małe sygnały ponad sto razy, aby ułatwić niezawodne i dokładne wykrywanie intencji motorycznych. Podstawową zaletą tej techniki jest jej biologiczny charakter.
Może łączyć się z nienaruszonymi nerwami obwodowymi przez długi czas, nie powodując szkodliwego wpływu na sam nerw lub dystalnie unerwione cele mięśniowe. Zasilane egzoszkielety zdolne do przywrócenia funkcji osobom z osłabieniem kończyn rzadko są w pełni wykorzystywane ze względu na niezdolność do niezawodnego i dokładnego wykrywania intencji motorycznych. Ze względu na swoje biologiczne możliwości wzmacniania sygnału nerwowego, mankiet mięśniowy RPNI jest odpowiedzią na te niedociągnięcia.
Wykonaj podłużne nacięcie wzdłuż przedniej części pożądanej tylnej kończyny dawcy, rozciągające się od tuż nad kostką do tuż poniżej kolana za pomocą skalpela numer 15. Wypreparuj leżącą pod spodem tkankę podskórną ostrymi nożyczkami do tęczówki, aby odsłonić leżące pod spodem mięśnie i dystalne ścięgna tuż proksymalnie stawu skokowego. Odizoluj mięsień EDL i jego dystalne ścięgno od otaczających mięśni.
Upewnij się, że izoluje się prawidłowe ścięgno, wkładając oba zęby kleszczy lub nożyczek tęczówki pod dystalne ścięgno tuż proksymalnie do stawu skokowego. Otwórz kleszcze lub nożyczki, aby wywrzeć nacisk na ścięgno w górę. Wykonaj dystalną tenotomię mięśnia EDL na poziomie kostki za pomocą ostrych nożyczek do tęczówki i wypreparuj mięsień wolny od otaczających tkanek działających proksymalnie w kierunku jego ścięgnistego początku.
Po uwidocznieniu ścięgna bliższego należy wykonać proksymalną tenotomię ostrymi nożyczkami do tęczówki, aby uwolnić przeszczep, przyciąć oba ścięgnaste końce przeszczepu mięśniowego i przyciąć na żądaną długość ostrymi nożyczkami do tęczówki. Wykonaj podłużne nacięcie na całej przyciętej długości po jednej stronie przeszczepu mięśniowego, aby ułatwić umieszczenie nerwu w przeszczepie mięśniowym i zapewnić kontakt nerwu z endomysium. Przygotowany przeszczep mięśniowy należy umieścić w gazie nasączonej solą fizjologiczną, aby zapobiec wysuszeniu tkanek.
Zaznacz nacięcie chirurgiczne, rozciągające się od linii około 5 milimetrów od wcięcia kulszowego do dolnego stawu kolanowego. Naciąć skórę i tkanki podskórne wzdłuż zaznaczonej linii nacięcia ostrzem numer 15. Ostrożnie naciąć przez leżącą poniżej powięź mięśnia dwugłowego uda, uważając, aby nie rozciągać się na całą głębokość mięśnia, ponieważ nerw kulszowy leży tuż poniżej.
Następnie dokładnie przeprowadź sekcję mięśnia dwugłowego kości udowej małymi nożyczkami o końcówce lub hemostatem. Zidentyfikuj wspólny nerw kroczowy lub CP i ostrożnie odizoluj go od otaczających nerwów za pomocą mikrokleszczy i mikronożyczek. Usuń otaczającą tkankę łączną ze środkowych 2 centymetrów nerwu, uważając, aby nie zmiażdżyć nerwu.
Przytrzymaj proksymalne epineurium za pomocą mikrokleszczy nad najbardziej środkową częścią uwolnionego nerwu CP i natychmiast naciąć epineurium nożyczkami do mikrodysekcji. Następnie przemieszczaj się dystalnie wzdłuż nerwu, aby utworzyć okno epineuryczne pasujące do długości przeszczepu mięśniowego i usunąć około 25% epineurium. Zadbaj o to, aby usunąć ten segment w jednym kawałku.
Usuń przeszczep mięśniowy z gazy nasączonej solą fizjologiczną i umieść go pod centralną częścią nerwu CP, w której powstało okno epineuryczne. Obróć nerw o 180 stopni, tak aby odcinek okna opłucnikowego dotykał nienaruszonego mięśnia i nie leżał u podstaw ewentualnej linii szwu. Zszyj epineurium nerwu CP za pomocą 8-O Szew nylonowy proksymalnie i dystalnie do przeszczepu mięśniowego w rowku z prostymi szwami przerywanymi w celu przymocowania epineurium do endomysium.
Owiń obwodowo krawędzie w przeszczepie mięśniowym otaczającym teraz zabezpieczony nerw i zszyj na miejscu z przerwanym 8-O ściegi nylonowe. Po osiągnięciu hemostazy zamknij powięź mięśnia dwugłowego uda nad konstruktem za pomocą szwu chromowego 5-O w stylu biegowym. Zamknij leżącą nad nią skórę za pomocą szwu chromowego 4-O w sposób biegowy.
Barwienie H&E przekroju poprzecznego MC-RPNI pokazuje mięsień i nerw. Przekrój poprzeczny ipsilateralnego, dystalnie unerwionego mięśnia EDL u szczura z MC-RPNI wykazał żywotną tkankę nerwową i mięśniową bez znaczącego zwłóknienia lub bliznowacenia w porównaniu z przekrojem poprzecznym u szczura kontrolnego bez MC-RPNI. Immunohistochemia przekroju podłużnego próbki MC-RPNI wykazuje jądra zabarwione na niebiesko z DAPI i tkankę nerwową zabarwioną na zielono.
Zbliżenie na inny udany MC-RPNI pokazuje wiele unerwionych połączeń nerwowo-mięśniowych zabarwionych alfa-bungarotoksyną na czerwono dla receptorów acetylocholiny. Testy elektrofizjologiczne przeprowadzone na konstruktach MC-RPNI wykazały, że generowane złożone potencjały czynnościowe mięśni lub przebiegi CMAP są podobne w wyglądzie do mięśni natywnych, co dodatkowo potwierdza, że zostały one ponownie unerwione przez zawarty w nich nerw. CMAP generowane przez fizjologiczny mięsień EDL po stymulacji nerwu proksymalnego CP zwykle wahają się od 20 do 30 miliwoltów.
EDL CMAP u szczurów z wszczepionymi MC-RPNI nie różnią się znacząco, średnio 24,27 miliwoltów plus minus 1,34 miliwolta. Bardzo ważne jest, aby przećwiczyć tworzenie okna epineurycznego przed użyciem go w badaniu. Epineurium jest bardzo cienką, delikatną powłoką nerwu, a uszkodzenie leżących poniżej włókien nerwowych może zmienić wyniki w bardzo nieprzewidywalny sposób.
Konstrukty te są uważane za dojrzałe u szczurów po 3 miesiącach, a ich możliwości dostosowywania są nieograniczone. Po osiągnięciu dojrzałości MC-RPNI może być wykorzystywany m.in. w ocenach fizjologicznych, analizach elektrofizjologicznych i testach siły mięśniowej. Neurorrhaphy end-to-side jest stosunkowo nowszą koncepcją w chirurgii, w której przecięty nerw jest połączony z nienaruszonym nerwem obwodowym, wywołując poboczne kiełkowanie z nienaruszonego nerwu do przeszczepionego segmentu.
Odkryliśmy, że zjawisko to występuje również w mięśniach przeszczepionych bezpośrednio do nienaruszonego nerwu, a możliwości dalszych badań są fascynujące.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy rękopis przedstawia Regeneracyjne Obwódkowe Obwody Nerwowe Mięśni (MC-RPNI), innowacyjną metodę rozwoju biologicznego obwodu nerwowego obwodowego. Ten chirurgiczny konstrukt wzmacnia sygnały ruchowe z nerwów obwodowych, poprawiając wykrywanie intencji ruchowej dla potencjalnej kontroli urządzeń egzoszkieletu.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Inżynieria biomedyczna
- Neuroprotetyka
Tło
- Fizjologiczne sygnały nerwowe zazwyczaj są w zakresie mikrowoltów.
- Obecne elektrody mają trudności z niezawodnym rejestrowaniem tych małych sygnałów.
- MC-RPNI może interfejsować się z nienaruszonymi nerwami obwodowymi długoterminowo.
- Ta metoda nie ma negatywnego wpływu na nerwy lub miksie mięśniowe.
Cel badania
- Rozwój biologicznego interfejsu, który wzmacnia sygnały nerwowe.
- Poprawa niezawodności wykrywania intencji ruchowej.
- Poprawa funkcjonalności urządzeń z napędem egzoszkieletu.
Stosowane metody
- Rozwój Regeneracyjnego Obwodu Nerwowego Mięśni (MC-RPNI).
- Wzmacnianie sygnałów nerwowych ponad sto razy.
- Długoterminowe interfejsowanie z nerwami obwodowymi.
- Ocena dokładności wykrywania sygnałów.
Główne wyniki
- MC-RPNI z powodzeniem wzmacnia fizjologiczne sygnały nerwowe.
- Osiągnięto niezawodne wykrywanie intencji ruchowej.
- Technika wykazała długoterminową kompatybilność z tkankami nerwowymi.
- Zidentyfikowano potencjalne zastosowania w sterowaniu urządzeniami egzoszkieletu.
Wnioski
- MC-RPNI radzi sobie z ograniczeniami obecnych metod wykrywania sygnałów nerwowych.
- Ten biologiczny interfejs może znacznie poprawić zastosowania neuroprotetyczne.
- Przyszłe badania mogą poszerzyć jego zastosowanie w przywracaniu funkcji ruchowych.
Często zadawane pytania
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.
