Регенеративный интерфейс периферических нервов мышечной манжеты для усиления интактных сигналов периферических нервов
13 января 2022 г.
Эта рукопись представляет собой инновационный метод разработки биологического периферического нервного интерфейса, называемого регенеративным интерфейсом периферических нервов мышечной манжеты (MC-RPNI). Эта хирургическая конструкция может усиливать связанные с ней двигательные эфферентные сигналы периферического нерва, чтобы облегчить точное обнаружение двигательного намерения и потенциальное управление устройствами экзоскелета.
Физиологические нервные сигналы находятся на уровне микровольт, который слишком мал для надежной записи с помощью доступных в настоящее время электродов. MC-RPNI может взаимодействовать с неповрежденными периферическими нервами, усиливая небольшие сигналы более чем в сто раз, чтобы облегчить надежное и точное обнаружение двигательного умысла. Основным преимуществом этой методики является ее биологическая природа.
Он может взаимодействовать с неповрежденными периферическими нервами в течение длительного времени, не оказывая вредного воздействия на сам нерв или дистально иннервируемые мышечные мишени. Приводимые в действие экзоскелетные устройства, способные восстанавливать функцию людей со слабостью конечностей, редко используются в полной мере из-за неспособности надежно и точно обнаружить двигательное намерение. Благодаря своим биологическим способностям усиления нервного сигнала, мышечная манжета RPNI является ответом на эти недостатки.
Сделайте продольный разрез вдоль переднего аспекта желаемой донорской задней конечности, простираясь от чуть выше лодыжки до чуть ниже колена скальпелем No 15. Рассекните подлежащую подкожную клетчатку острыми ножницами радужной оболочки, чтобы обнажить подлежащую мускулатуру и дистальные сухожилия только проксимально к голеностопному суставу. Изолируйте мышцу EDL и ее дистальное сухожилие от окружающей мускулатуры.
Обеспечьте изоляцию правильного сухожилия, вставив оба зубца щипца или ножницы для радужной оболочки под дистальное сухожилие непосредственно проксимально к голеностопному суставу. Откройте щипцы или ножницы, чтобы оказать восходящее давление на сухожилие. Выполните дистальную тенотомию мышцы EDL на уровне лодыжки острыми ножницами радужной оболочки и рассекните мышцу, свободную от окружающих тканей, работающих проксимально к ее сухожильному происхождению.
После того, как проксимальное сухожилие визуализировано, выполните проксимальную тенотомию острыми ножницами радужной оболочки, чтобы освободить трансплантат, обрежьте оба сухожильных конца мышечного трансплантата и разрезайте до нужной длины острыми ножницами радужной оболочки. Сделайте продольный разрез по всей обрезанной длине на одной стороне мышечного трансплантата, чтобы облегчить размещение нерва внутри мышечного трансплантата и обеспечить контакт нерва с эндомизием. Поместите подготовленный мышечный трансплантат в увлажненную физиологическим раствором марлю, чтобы предотвратить высыхание тканей.
Отметьте хирургический разрез, простирающийся от линии примерно на 5 миллиметров от седалищной выемки до нижнего коленного сустава. Прорезайте кожу и подкожные ткани вдоль отмеченной линии разреза с лезвием No 15. Осторожно прорезайте через нижележащую бицепсную фасцию бедра, следя за тем, чтобы не распространиться через всю глубину мышцы, так как седалищный нерв лежит чуть ниже.
Затем тщательно рассекните через бицепс бедренную мышцу тупыми маленькими ножницами или гемостатом. Определите общий промежностный или ДЦП-нерв и тщательно изолируйте его от окружающих нервов с помощью пары микрощипцов и микроножек. Удалите любую окружающую соединительную ткань из средних 2 сантиметров нерва, следя за тем, чтобы не раздавить нерв.
Проведите проксимальный эпиневриум микрощипцами над самой центральной частью освобожденного ДЦП-нерва и немедленно врежьте в эпиневрий ножницами микродиссекции. Затем пройдите дистально вдоль нерва, чтобы сделать эпиневральное окно, соответствующее длине мышечного трансплантата, и удалите около 25% адреналина. Позаботьтесь о том, чтобы удалить этот сегмент в одном куске.
Удалите мышечный трансплантат из увлажненной физиологическим раствором марли и поместите его под центральную часть cp-нерва, где было создано эпиневральное окно. Поверните нерв на 180 градусов так, чтобы секция заднего окна касалась неповрежденной мышцы и не лежала в основе возможной линии шва. Зашить эпиневрий cp-нерва с помощью 8-O нейлоновый шов проксимально и дистально к мышечному трансплантату в бороздке с помощью простых прерванных швов для закрепления адреналина к эндомизию.
Окружное обертывание краев в мышечном трансплантате, окружающем теперь закрепленный нерв и шов на месте с прерванным 8-O нейлоновые швы. Как только гемостаз будет достигнут, закройте бицепс бедренной фасции над конструкцией с помощью хромного шва 5-O в беговой манере. Закройте вышележащую кожу хромированным швом 4-O в беговой манере.
Окрашивание H&E поперечного сечения MC-RPNI показывает мышцы и нервы. Поперечное сечение ипсилатеральной дистально иннервируемой мышцы EDL у крысы с MC-RPNI продемонстрировало жизнеспособность нерва и мышечной ткани без какого-либо значительного фиброза или рубцевания по сравнению с поперечным сечением у контрольной крысы без MC-RPNI. Иммуногистохимия продольного сечения образца MC-RPNI показывает ядра, окрашенные в синий цвет с DAPI, а нервная ткань окрашена в зеленый цвет.
Крупный план другого успешного MC-RPNI показывает множественные иннервированные нервно-мышечные соединения, окрашенные альфа-бунгаротоксином красного цвета для рецепторов ацетилхолина. Электрофизиологическое тестирование, проведенное на конструкциях MC-RPNI, показало, что генерируемые сложные мышечные потенциалы действия или формы сигналов CMAP похожи по внешнему виду на нативные мышцы, что еще раз подтверждает, что они были реиннервированы их содержащимся нервом. CMAP, генерируемые физиологической мышцей EDL после стимуляции проксимального нерва CP, обычно варьируются от 20 до 30 милливольт.
EDL CMAP у крыс с имплантированными MC-RPNIs существенно не отличаются, в среднем 24,27 милливольт плюс-минус 1,34 милливольта. Крайне важно попрактиковаться в создании адреналинового окна, прежде чем использовать его в исследовании. Адреналин представляет собой очень тонкое, хрупкое покрытие на нерве, и повреждение нижележащих нервных волокон может изменить результаты очень непредсказуемым образом.
Эти конструкции считаются зрелыми у крыс через 3 месяца, и их возможности настройки бесконечны. После созревания MC-RPNI может быть использован в физиологических оценках, электрофизиологическом анализе и тестировании мышечной силы, чтобы назвать несколько. Сквозная нейроррапия является относительно новой концепцией в хирургии, где трансектированный нерв прилегает к неповрежденному периферическому нерву, индуцируя коллатеральное прорастание из неповрежденного нерва в привитый сегмент.
Мы обнаружили, что это явление также происходит в мышцах, привитых непосредственно к неповрежденному нерву, и возможности для дальнейших исследований увлекательны.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Этот манускрипт представляет Регенеративный Периферический Нервный Интерфейс с Мышечной Манжетой (MC-RPNI), инновационный метод разработки биологического периферического нервного интерфейса. Эта хирургические конструкция усиливает моторные эфферентные сигналы от периферических нервов, улучшая обнаружение моторных намерений для потенциального контроля над экзоскелетными устройствами.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Биомедицинская инженерия
- Нейропротезирование
Фон
- Физиологические нервные сигналы обычно находятся в микровольтовом диапазоне.
- Современные электроды не могут надежным образом записывать эти малые сигналы.
- MC-RPNI может взаимодействовать с интактными периферическими нервами в течение длительного времени.
- Этот метод не оказывает неблагоприятного влияния на нервные или мышечные цели.
Цель исследования
- Разработать биологический интерфейс, который усиливает нервные сигналы.
- Улучшить надежность обнаружения моторных намерений.
- Улучшить функциональность управляемых экзоскелетных устройств.
Используемые методы
- Разработка Регенеративного Периферического Нервного Интерфейса с Мышечной Манжетой.
- Усиление нервных сигналов более чем в сотню раз.
- Долгосрочное взаимодействие с периферическими нервами.
- Оценка точности обнаружения сигналов.
Основные результаты
- MC-RPNI успешно усилил физиологические нервные сигналы.
- Было достигнуто надежное обнаружение моторных намерений.
- Техника продемонстрировала долгосрочную совместимость с нервными тканями.
- Были определены потенциальные применения в управлении экзоскелетными устройствами.
Выводы
- MC-RPNI устраняет ограничения текущих методов обнаружения нервных сигналов.
- Этот биологический интерфейс может значительно улучшить нейропротезные применения.
- Будущие исследования могут расширить его применение в восстановлении моторной функции.
Часто задаваемые вопросы
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.
