A Interface Regenerativa do Nervo Periférico do Manguito Muscular para a Amplificação de Sinais Nervosos Periféricos Intactos
13 de janeiro de 2022
Este manuscrito fornece um método inovador para o desenvolvimento de uma interface biológica do nervo periférico denominada Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Esta construção cirúrgica pode amplificar os sinais eferentes motores do nervo periférico associado para facilitar a detecção precisa da intenção motora e o controle potencial de dispositivos exoesqueletos.
Os sinais nervosos fisiológicos estão no nível de microvolts, o que é muito pequeno para ser registrado com eletrodos atualmente disponíveis de forma confiável. O MC-RPC pode interagir com nervos periféricos intactos, amplificando os pequenos sinais mais de cem vezes para facilitar a detecção confiável e precisa da intenção motora. A principal vantagem desta técnica é a sua natureza biológica.
Pode interagir com nervos periféricos intactos a longo prazo sem causar um efeito prejudicial sobre o próprio nervo ou alvos musculares inervados distalmente. Dispositivos de exoesqueleto alimentados capazes de restaurar a função para aqueles com fraqueza nas extremidades raramente são utilizados em todo o seu potencial devido à incapacidade de detectar a intenção do motor de forma confiável e precisa. Devido às suas capacidades biológicas de amplificação do sinal nervoso, o manguito muscular RPNI é a resposta para essas deficiências.
Faça uma incisão longitudinal ao longo da face anterior do membro posterior do doador desejado, estendendo-se logo acima do tornozelo até logo abaixo do joelho com um bisturi número 15. Dissecar o tecido subcutâneo subjacente com uma tesoura afiada da íris para expor a musculatura subjacente e os tendões distais apenas proximais à articulação do tornozelo. Isole o músculo EDL e seu tendão distal da musculatura circundante.
Garantir o isolamento do tendão correto inserindo ambos os dentes de uma pinça ou tesoura da íris sob o tendão distal apenas proximal à articulação do tornozelo. Abra a pinça ou tesoura para exercer pressão ascendente sobre o tendão. Realizar uma tenotomia distal do músculo EDL ao nível do tornozelo com tesoura de íris afiada e dissecar o músculo livre dos tecidos circundantes que trabalham proximalmente em direção à sua origem tendínea.
Uma vez visualizado o tendão proximal, realize uma tenotomia proximal com tesoura de íris afiada para liberar o enxerto, corte ambas as extremidades tendíneas do enxerto muscular e corte até o comprimento desejado com tesoura de íris afiada. Faça uma incisão longitudinal ao longo de todo o comprimento aparado em um lado do enxerto muscular para facilitar a colocação do nervo dentro do enxerto muscular e fornecer contato do nervo com o endomísio. Coloque o enxerto muscular preparado em uma gaze umedecida com solução salina para evitar a dessecação do tecido.
Marque a incisão cirúrgica, estendendo-se de uma linha de aproximadamente 5 milímetros do entalhe ciático até a articulação inferior do joelho. Incise através da pele e dos tecidos subcutâneos ao longo da linha de incisão marcada com uma lâmina número 15. Incise cuidadosamente através da fáscia femoral do bíceps subjacente, tomando cuidado para não se estender por toda a profundidade do músculo, pois o nervo ciático fica logo abaixo.
Em seguida, disseque cuidadosamente através do músculo femoral do bíceps com uma pequena tesoura de ponta romba ou um hemostático. Identifique o nervo perineal ou CP comum e isole-o cuidadosamente dos nervos circundantes com um par de micro pinça e micro tesoura. Remova qualquer tecido conjuntivo circundante do meio 2 centímetros do nervo, tomando cuidado para não esmagar o nervo.
Segure o epineúrio proximal com micropinça sobre a porção central do nervo PC liberado e corte imediatamente no epineúrio com uma tesoura de microdissecção. Em seguida, viaje distalmente ao longo do nervo para fazer uma janela epineurial correspondente ao comprimento do enxerto muscular e remover cerca de 25% do epineurium. Tome cuidado para remover este segmento em uma única peça.
Remova o enxerto muscular da gaze umedecida com solução salina e coloque-o sob a porção central do nervo CP, onde a janela epineurial foi criada. Gire o nervo 180 graus para que a seção da janela epineurial toque o músculo intacto e não subjaz à eventual linha de sutura. Sutura do epineúrio do nervo CP com um 8-O sutura de nylon proximal e distalmente ao enxerto muscular dentro do sulco com suturas simples interrompidas para fixar o epineúrio ao endomísio.
Circunferencial envolver as bordas no enxerto muscular em torno do nervo agora fixado e sutura no lugar com 8-O interrompido pontos de nylon. Uma vez que a hemostasia é alcançada, feche a fáscia femoral do bíceps sobre o construto com sutura crômica 5-O de forma corrida. Feche a pele sobrejacente com uma sutura crômica 4-O de forma corrida.
A coloração H&E de uma seção transversal MC-RPNI mostra o músculo e o nervo. A secção transversal do músculo EDL distensionalmente inervado ipsilateral num rato com MC-RPNI demonstrou tecido nervoso e muscular viável sem qualquer fibrose ou cicatrização significativa em comparação com a secção transversal num rato de controlo sem MC-RPNI. A imuno-histoquímica de uma seção longitudinal de uma amostra de MC-RPNI mostra núcleos corados de azul com DAPI e tecido nervoso corado de verde.
Um close-up de outro MC-RPNI bem-sucedido mostra múltiplas junções neuromusculares inervadas coradas com alfa-bungarotoxina em vermelho para receptores de acetilcolina. Testes eletrofisiológicos realizados nos construtos MC-RPNI mostraram que os potenciais de ação muscular compostos gerados ou formas de onda CMAPs são semelhantes em aparência ao músculo nativo, apoiando ainda mais que eles se tornaram reinervados por seu nervo contido. Os CMAPs gerados pelo músculo EDL fisiológico após a estimulação proximal do nervo CP geralmente variam de 20 a 30 milivolts.
Os CMAPs EDL em ratos com MC-RPNIs implantados não são significativamente diferentes, com média de 24,27 milivolts mais ou menos 1,34 milivolts. É crucial praticar a criação de uma janela epineurial antes de usá-la em um estudo. O epineúrio é uma cobertura muito fina e frágil no nervo, e danificar as fibras nervosas subjacentes pode alterar os resultados de maneiras altamente imprevisíveis.
Essas construções são consideradas maduras em ratos após 3 meses e suas capacidades de personalização são infinitas. Após a maturação, o MC-RPNI pode ser utilizado em avaliações fisiológicas, análises eletrofisiológicas e testes de força muscular, para citar alguns. A neurorrafia de ponta a ponta é um conceito relativamente novo dentro da cirurgia, onde um nervo transectado é coapto a um nervo periférico intacto induzindo a brotação colateral do nervo intacto para o segmento enxertado.
Descobrimos que esse fenômeno também ocorre em músculos enxertados diretamente no nervo intacto e as possibilidades de mais pesquisas são fascinantes.
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Visão Geral
Este manuscrito apresenta a Interface Periférica do Nervo Regenerativa com Manguito Muscular (MC-RPNI), um método inovador para desenvolver uma interface biológica do nervo periférico. Esta construção cirúrgica amplifica sinais efferentes motores de nervos periféricos, melhorando a detecção da intenção motora para potencial controle de dispositivos de exoesqueleto.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Engenharia Biomédica
- Neuroprótese
Fundo
- Os sinais nervosos fisiológicos estão tipicamente na faixa de microvolts.
- Eletros atuais lutam para registrar estes pequenos sinais de forma confiável.
- O MC-RPNI pode interfacear com nervos periféricos intactos a longo prazo.
- Este método não afeta adversamente os alvos nervosos ou musculares.
Propósito do Estudo
- Desenvolver uma interface biológica que amplifique sinais nervosos.
- Melhorar a confiabilidade da detecção da intenção motora.
- Melhorar a funcionalidade de dispositivos de exoesqueleto movidos a energia.
Métodos Utilizados
- Desenvolvimento da Interface Periférica do Nervo Regenerativa com Manguito Muscular.
- Amplificação de sinais nervosos mais de cem vezes.
- Interfaceamento a longo prazo com nervos periféricos.
- Avaliação da precisão de detecção de sinal.
Principais Resultados
- O MC-RPNI amplificou com sucesso sinais nervosos fisiológicos.
- A detecção confiável da intenção motora foi alcançada.
- A técnica demonstrou compatibilidade a longo prazo com tecidos nervosos.
- Aplicações potenciais no controle de dispositivos de exoesqueleto foram identificadas.
Conclusões
- O MC-RPNI aborda as limitações dos métodos atuais de detecção de sinais nervosos.
- Esta interface biológica pode melhorar significativamente as aplicações neuroprotéticas.
- Pesquisas futuras podem expandir seu uso na restauração da função motora.
Perguntas Frequentes
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.
