Summary
Vi simulerede klinisk kirurgi for at etablere en protokol for direkte anastomose af bilaterale brachiale plexusnerver via præspinalruten hos mus, hvilket bidrog til undersøgelsen af de neurale mekanismer, der ligger til grund for rehabilitering ved krydsning af nerveoverførsel efter skader på det centrale og perifere nervesystem.
Abstract
Krydsning af nerveoverførselskirurgi har været en stærk tilgang til reparation af skadede øvre ekstremiteter hos patienter med brachial plexus avulsionsskader. For nylig blev denne operation kreativt anvendt i den kliniske behandling af hjerneskade og opnåede betydelig rehabilitering af den lammede arm. Denne funktionelle genopretning efter operationen tyder på, at perifer sensorimotorisk intervention inducerer dyb neuroplasticitet for at kompensere for tab af funktion efter hjerneskade; Imidlertid er den underliggende neurale mekanisme dårligt forstået. Derfor kræves en emergent klinisk dyremodel. Her simulerede vi klinisk kirurgi for at etablere en protokol for direkte anastomose af bilaterale brachiale plexusnerver via præspinalruten hos mus. Neuroanatomiske, elektrofysiologiske og adfærdsmæssige eksperimenter hjalp med at identificere, at de overførte nerver hos disse mus med succes reinnerverede det svækkede forben og bidrog til at fremskynde motorisk genopretning efter hjerneskade. Derfor afslørede musemodellen de neurale mekanismer, der ligger til grund for rehabilitering ved krydsning af nerveoverførsel efter skader på det centrale og perifere nervesystem.
Introduction
Brachial plexus (BP) består af fem nerver med forskellige rygmarvssegmenter (C5-T1), der er ansvarlige for fornemmelse og bevægelse i arm, hånd og fingre. Efter udgangen af disse fem BP-nerver fra rygmarven fusionerer de for at danne tre nervestammer: den overlegne (dannet ved sammensmeltning af C5 og C6), medial (fra C7) og ringere (grene af C8 og T1). Alvorlige skader, især på grund af trafikulykker, fører ofte til avulsion af BP-nerverødderne, og sådan dysfunktion har en ødelæggende virkning på patienter1. Som en kraftfuld klinisk tilgang er krydsning af nerveoverførselskirurgi blevet udført for at reparere avulsionsskader til BP ved at forbinde de skadede nerveender til den sunde side af BP 2,3. Denne operation resulterer i funktionelle forbedringer af skadede hænder og direkte omorganisering af den sensorimotoriske cortex i begge halvkugler hos patienter4. Dyreforsøg har vist, at drastisk reorganisering i de kortikale kredsløb blev induceret efter krydsning af nerveoverførsel5. Fordi perifer sensorimotorisk modifikation kan genaktivere den sovende plasticitet i den modne hjerne, udviser krydsning af nerveoverførselskirurgi også stort potentiale i reparation af hjerneskader6.
For nylig bekræftede vi muligheden for kreativ brug af krydsende nerveoverførsel som en ny perifer nerveændringsstrategi for problemer med centralnervesystemet. En type krydsende nerveoverførselskirurgi, kontralateral cervikal syvende nerveoverførsel (CC7), blev anvendt til at opnå signifikant funktionel genopretning af den lammede arm ved at overføre C7-nerven fra den ikke-lammede side til den lammede side hos patienten efter hjerneskade7. Et unikt træk ved denne kirurgiske operation er, at de sensoriske og motoriske signaler fra den lammede øvre ekstremitet kommunikerede til den kontralesionelle halvkugle gennem den "venstre-højre crossover" forskudte nerve. Især er den funktionelle genopretning forårsaget af CC7-kirurgi ikke begrænset til den funktion, der er innerveret af selve C7-nerven8. Derudover kan CC7-kirurgi ikke kun bruges til behandling af børn med cerebral parese, men også til at opnå rehabilitering hos midaldrende og ældre slagtilfældepatienter. Derfor er der tilstrækkelig grund til at tro, at krydsning af nerveoverførsel kan stimulere neuroplasticitet til at fremskynde motorisk genopretning fra hjerneskade ved at modulere det perifere sensorimotoriske system.
Selvom krydsning af nerveoverførselskirurgi har opnået betydelig rehabilitering i den kliniske behandling af både brachial plexusskader (BPI) og hjerneskade, forbliver de neurale mekanismer, der ligger til grund for denne operation, dårligt forstået. Manglen på en passende dyremodel med kliniske træk har begrænset undersøgelsen af interne mekanismer. Traditionelt overføres C7-nerveroden kontralateralt til læsionen i klinikken til den skadede side gennem et nervetransplantat (f.eks. Ulnarnerve, sural nerve eller saphenøs nerve) og forbundet med den berørte brachiale plexus (f.eks. Mediannerve, C7-rod eller nedre bagagerum)2,3,9. En relativt ny ændring af denne operation indebærer, at den upåvirkede C7-rod overføres direkte til den berørte C7-nerve via præspinalruten uden noget hul, hvilket tyder på en optimal løsning7. I øjeblikket udviser mus en fordel i celletypespecificitet og genetisk stammediversitet og er mere egnede til at studere neurofysiologiske mekanismer. Derfor blev klinisk kirurgi simuleret for at etablere en protokol for direkte anastomose af bilaterale C7-nerverødder via præspinalruten hos mus og bidrage til undersøgelsen af de neurale mekanismer, der ligger til grund for rehabilitering ved krydsning af nerveoverførsel.
Protocol
Alle dyreforsøg blev godkendt af Institutional Care of Experimental Animals Committee ved Fudan University og Chinese Academy of Science i overensstemmelse med National Institute of Health retningslinjer. Der blev anvendt otte uger gamle voksne C57BL/6N-hanmus.
1. Præoperativ opsætning
- Sørg for et passende lager af autoklaverede steriliserede kirurgiske instrumenter, udstyr, smertestillende medicin og anæstetisk medicin.
- Sørg for tilstrækkelig arbejdsplads på et operationsbord.
- Forbered operationsbordet ved hjælp af et bledækket tilpasset kirurgisk skumbræt som en seng til musen. Fastgør en opvarmningspude til skumpladen med medicinsk tape dækket med sterilt gasbind.
- Opret retraktorer ved at bøje en akupunkturnål ved hjælp af vaskulære tang, folde den i to og derefter bøje spidsen af den foldede akupunkturnål i en krog. Fastgør en gummistrimmel i enden af akupunkturnålen, og brug en tommelfinger til at fastgøre enden af gummilisten til skumpladen.
- Kalibrer stereomikroskopet; Vælg et stereomikroskop med en passende fokusafstand. Dæk zoom-/fokusknapperne med steriliseret aluminiumsfolie, så kirurgen kan justere dem under operationen. Den steriliserede aluminiumsfolie blev placeret på zoom- / fokusknapperne, så kirurgen kunne bruge den med sterile handsker.
2. Musbedøvelse og forberedelse
- Vej musen og bedøvelse svarende til kropsvægten (isofluran 3%). Sørg for, at musen ikke reagerer, når de interdigitale rum i poten klemmes for at bekræfte dybden af anæstesi. Tilstrækkelig dybde af anæstesi bør opretholdes under hele proceduren (1% isofluran).
- Påfør oftalmisk salve bilateralt på øjnene for at forhindre irritation eller tørring af hornhinden under operationen.
- Forbered det kirurgiske sted ved at barbere pelsen på nakken og brystet med en automatisk klipper. Fjern og rengør det løse hår.
- Placer musen i liggende stilling på varmepuden dækket med sterilt gasbind. Hold musens temperatur på 37 °C under hele operationen. Fastgør musen med medicinsk tape for at få forbenene til at bortføre vandret og forhindre bagbenene og halen i at bevæge sig. En steriliseret engangskirurgisk drapering med passende åbning blev anbragt på musene.
3. Operativ procedure
- Tramadol injiceres som forebyggende analgesi (20 mg/kg, i.p.). Marker det tværgående snit på kravebenets overkant. Brug tre cyklusser af vekslende skrubber af iodophor desinfektionsopløsning og ethanol til at desinficere det kirurgiske sted. Bekræft dybden af anæstesi med en tåklemme før operationen.
- Arbejd under et mikroskop, lav et 4 mm tværgående snit langs mærket ved hjælp af en steril skalpel. Forstør snittet under proceduren efter behov.
- Bluntly dissekere gennem den subkutane fascia og identificere den underordnede grænse af den submandibulære kirtel. Træk den submandibulære kirtel opad for at udsætte den supraklavikulære fossa og brystbenet.
BEMÆRK: Der kan være blodkar af lille kaliber i dette område. Elektrokauteri kan bruges til at stoppe blødning. - Lav et delvist median sternotomi snit (~ 4 mm) ved at skære brystbenet fra hoved til hale langs midterlinjen. Beskyt lungehinden, hjertet og blodkarrene under sternotomi.
- Identificer sternohyoid muskel. Træk brystbenet forsigtigt med to små tilpassede retraktorer lavet af akupunkturnåle og identificer sternohyoidmusklen over luftrøret og spiserøret. Træk denne muskel tilbage for at udsætte halspulsåren, den indre halsvene, phrenic nerve, vagusnerve, luftrør og spiserør.
BEMÆRK: Træk forsigtigt brystbenet tilbage for at undgå åben pneumothorax. I modsætning til hos mennesker er musens spiserør ikke bag luftrøret, men støder op til luftrøret på venstre side. - Identificer den venstre brachial plexus. Ved sidekanten af den venstre indre jugularvene skal du trække fascia og fedtvæv udad for at udsætte brachial plexus. Se efter den overlegne bagagerum, der består af C5 og C6 nerverne, som har tre grene. Identificer den midterste bagagerum, der består af C7-nerven og den ringere bagagerum, der består af C8- og T1-nerverne, langs den øverste krop op til musens hale.
BEMÆRK: Der er langsgående blodkar på overfladen af brachial plexus. Brug elektrokauteri for at forhindre blødning. Når du adskiller den venstre brachial plexus, skal du beskytte chyloukanalen for at undgå en chylous fistel. - Høst den venstre C7-nerve. Dissekere den forreste division og bageste opdeling af den midterste krop (C7-nerven) distalt til division-til-ledningsniveauet under kravebenet og bloker C7-nerven med 0,1 ml 2% lidokain ved lokal infusion i nervestammen. Resekter C7-nerven med vannas fjedersaks ved dens fusionspunkter med sideledningen og den bageste ledning. Trim C7-nerven, så længden af hver division er ens.
BEMÆRK: De forreste og bageste divisioner af C7-nerven og de forreste og bageste divisioner af øvre og nedre trunker løber i lang afstand før sammenløb, så C7-nerven skal frigøres tilstrækkeligt før resektion. Faktisk er C7-nerven ikke altid opdelt i to divisioner; Nogle gange er det opdelt i tre divisioner eller endda i fire i sjældne tilfælde. - Fjern venstre C6 lamina ventralis. Beskyt forsigtigt phrenic nerven og svær den forreste scalene muskel på niveauet af C6 segmentet for at udsætte C7 nerve rod. Skær små grene af C7-nerven, der inderverer paraspinalmusklen med mikrotang. Træk forsigtigt C7-nerven ud, og skær C6 lamina ventralis forsigtigt ud.
BEMÆRK: Der er en knoglet fremtrædende plads mellem den mediale side af venstre halspulsåre og den laterale side af spiserøret. Denne benede fremtrædende plads er lamina ventralis af de 6. livmoderhvirvler. Den langsgående muskel i sidekanten af C6 lamina ventralis er den forreste scalene muskel, og phrenic nerven løber på overfladen af den forreste scalene muskel. - Høst den rigtige C7-nerve. Svær den forreste scalene muskel på højre side, svarende til venstre side, og transektere højre C7 nerverod tæt på intervertebrale foramen. Dissekere den højre C7-nerve fra dens divisionsniveau.
BEMÆRK: Skær forsigtigt den højre C7-nerve for at forhindre skade på blodkarrene under nerven. - Overfør venstre C7-nerve.
- Fjern den muskulære longus colli ved siden af hvirveldyrene delvist på begge sider. Adskil og udvid rummet mellem luftrøret-spiserøret og rygsøjlen.
- Send en halvfoldet 5-0 nylonsuturer fra højre side af rygsøjlen til venstre side gennem præspinalruten.
- Hitch venstre C7 nerve med et infusionsrør og før nerven til højre side via præspinal vej.
- Træk luftrøret og spiserøret forsigtigt tilbage og coapt de forreste og bageste opdelinger af venstre C7 nerve til højre C7 nerverod uden spænding ved hjælp af 12-0 nylon suturer. Sutur epineurium omkring nerverne med 4-5 sting for at coaptere nerverne stærkt.
BEMÆRK: Det er afgørende at vælge et plastinfusionsrør af passende tykkelse. For tyndt af et rør kan beskadige nerven, og for tykt af et rør kan beskadige luftrøret og spiserøret. Derudover er mellemrummet mellem luftrøret-spiserøret og rygsøjlen et "V" -formet rum, og skæredel af den muskulære longus colli kan forkorte overførselsvejen.
4. Lukning af sår
- Skyl såret med sterilt normalt saltvand og tør det med sterilt gasbind.
- Sutur brystbenet og luk huden ved hjælp af 5-0 monofilamentsuturer.
5. Postoperativ pleje
- Vent på, at musen vågner fra anæstesi. Overfør musen til et rent bur uden sengetøjsmateriale, men opvarmet med et varmetæppe. Overhold musen, indtil den er ambulant. Brug tramadol (20mg/kg, i.p.) som postoperativ analgesi.
- Placer musene i et genopretningsbur og overvåg det indtil genopretning. Gendan musenes vand og kost efter operationen. Overvåg musene postoperativt for tegn på svækkelse eller infektion hver dag, herunder underernæring, foroverbøjet kropsholdning og pjusket pels. To uger efter operationen skal suturfjernelse forekomme.
BEMÆRK: Påfør erythromycinsalve på såroverfladen hver dag i tre på hinanden følgende dage. - Hvis der observeres komplikationer, såsom sårødem, skal det straks løses.
6. Adfærdsmæssig analyse
BEMÆRK: Al adfærdstest og analyse blev udført af en observatør, der var blind for forsøgsgrupperne.
- Cylinder test
BEMÆRK: Cylindertesten evaluerer brugen af forben under spontan lodret udforskning inden for en cylinder 4 og 8 uger efter operation21.- Placer musene i en gennemsigtig cylinder (diameter 9 cm, højde 15 cm) på en forhøjet ramme.
- For at lette observation og optagelse skal du fastgøre et spejl i en vinkel på 45 ° under cylinderen.
- Optag spontan opdræt af hver mus observeret ved hjælp af spejlet i 10 min.
- Bestem manuelt, hvor længe (i) højre pote, (ii) venstre pote eller (iii) begge poter kom i kontakt med glasvæggene. Tæl i alt 20 bevægelser i løbet af hver session. Ekskluder mus, der ikke er aktive under testen, fra analysen.
- Bedøm testens ydeevne som:
- Test af gittervandring
BEMÆRK: Grid-walk-testen vurderer den nøjagtige placering af forpoterne på trinene i et gitter under spontan udforskning 4 og 8 uger efter operationen. 22.- Placer musene på et trådgitter (20 cm x 24 cm) med 25 mm firkantede huller, og lad dem frit udforske i 10 minutter, mens de optager deres præstation med et videokamera.
- Scor en fodslip i tilfælde af et af følgende:
- Se efter tilfælde, hvor poten helt savner et trin (i hvilket tilfælde lemmen falder mellem trinene, og dyret mister balancen).
- Se efter tilfælde, hvor poten er korrekt placeret på et trin, men glider af, mens den bærer kropsvægt.
- Udtryk testresultatet som fodslip af højre forben / total fodglidning. Selvom hverken cylindertesten eller grid-walk-testen kræver træning, skal du opnå baseline-score ved at teste hvert dyr en gang før operationen.
Representative Results
Ensidig hjerneskade forårsager ofte permanent dysfunktion af det kontralaterale lem på grund af begrænsningerne af kompenserende neural plasticitet hos voksne10,11. Tidligere rapporterede vi, at CC7-kirurgi kunne bruges til behandling af hemiplegiske øvre lemmer hos voksne patienter efter hjerneskade7. For at evaluere effektiviteten af protokollen for direkte anastomose bilaterale C7-nerver via præspinalvejen udførte vi krydsningsnerveoverførselsoperationen hos mus efter ensidig traumatisk hjerneskade (TBI). Figur 1 beskriver TBI-procedurerne og verificerer skadesområdet og effekten. For det første blev en elektrisk kortikal kontusionspåvirkning (eCCI) brugt til at beskadige hjernebarken på venstre halvkugle (anteroposterior = +1,0 mm til -2,0 mm, mediolateral = 0,5 mm til 3,5 mm) hos voksne mus for at resultere i ensidig hjerneskade. Efter 2 uger bekræftede anatomiske strukturer, at denne TBI-protokol næsten ødelagde den sensorimotoriske cortex, et vigtigt sted for initiering af bevægelser. Disse mus med ensidig TBI udviste betydelige motorfejl i højre forben.
Figur 2 beskriver CC7-procedurerne. Stidiagrammet for CC7-kirurgi afslørede, at vej A, der repræsenterer den præspinale rute, var den korteste tilgang sammenlignet med de andre. Længden af sti A er endnu lavere end længden af den høstede C7-nerve på venstre side (ikke-lammet side). Dette fund gav det anatomiske grundlag for valget af præspinal vej til fuldstændig nerveoverførselskirurgi. CC7-kirurgi blev udført i direkte anastomose via præspinal vej to uger efter TBI. Den cervikale 7 (C7) nerve på den ikke-lammede side blev direkte overført til den lammede side i stedet for at gøre sine oprindelige hjerneforbindelser. Figur 3 viser resultaterne af elektronmikroskopi, der afslørede, at den overførte C7-nerve med succes var regenereret. Myelinskedens tykkelse af den overførte C7-nerve steg gradvist, startende ved 4 uger efter CC7-operationen, og var næsten sammenlignelig med den i kontrolgruppen 8 uger efter CC7-operationen. Figur 4 identificerer muskelreinnervering af den overførte C7-nerve ved hjælp af elektromyografiske optagelser. Elektrisk stimulering af den proksimale ende af C7 nerveanastomose inducerede stabilt handlingspotentialer i flere muskler i det berørte forben efter 4 uger postoperativt i overensstemmelse med elektronmikroskopiresultaterne. Figur 5 viser, at den overførte C7-nerve indeholder motorfibre fra det ventrale horn og sensoriske fibre fra rygmarvsganglierne i rygmarvs-C7-segmentet på den sunde side gennem koleratoksinunderenhed B (CTB) retrograd mærkning.
Figur 6 viser, at musemodellen også udviste signifikant motorisk genopretning efter ensidig TBI, i overensstemmelse med resultaterne af de kliniske studier. For at verificere effekten af CC7-kirurgi på genopretning af skadet motorisk funktion efter TBI blev der etableret en TBI + Sham-gruppe og en Control + Sham-gruppe. Musene i TBI + Sham-gruppen og TBI + CC7-gruppen modtog de samme procedurer for TBI-skade samtidigt, mens musene i Control + Sham-gruppen kun modtog skinkirurgi. Mens musene i TBI + CC7-gruppen modtog nerveoverførselskirurgi, gennemgik mus i TBI + sham-gruppen og Control + Sham-gruppen bilateral cervikal 7 (C7) nerveresektion. I cylindertest viste TBI + CC7-gruppen en signifikant højere brugsrate for det svækkede forben end TBI-gruppen ved både 4 og 8 uger efter CC7-operation (p < 0,01). I grid-walking tests viste TBI + CC7-gruppen en lavere fejlrate end TBI-gruppen 4 uger efter CC7-operationen. Desuden var fejlprocenten for TBI + CC7-gruppen signifikant lavere end i TBI-gruppen ved 8 uger efter CC7-operationen (p < 0,05). Disse adfærdsmæssige resultater viste, at CC7-kirurgi kunne forbedre motorfunktionen af det berørte lem hos TBI-mus. Tilsammen tyder disse resultater på, at den overførte C7-nerve, der blev genopbygget ved CC7-kirurgi via præspinalvejen, med succes blev regenereret og reinnerveret det svækkede forben, hvilket bidrog til motorisk restaurering hos voksne mus med ensidig TBI.
Figur 1: Karakterisering af ensidig traumatisk hjerneskade. (A) Skematisk visning af musens position i eCCI. B) parametre og skadesinterval for eCCI. (C) Repræsentativt koronalt afsnit, der viser den læsionerede cortex (2 uger efter TBI, skalabjælke = 500 μm). Forkortelse: eCCI = elektrisk kortikal kontusionseffektor. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Det kirurgiske elementardiagram. (A) Skematisk diagram, der viser det eksperimentelle design til udførelse af den kontralaterale C7-nerveoverførsel i TBI-mus. Den røde cirkel viser traumets position. Den røde dobbelte skråstreg inden for det stiplede rektangel viser sutureret nerve. (B) Et tværsnit viser tre alternative veje for den kontralaterale C7-nerveoverførsel i musene. Sti A, den blå linje viser den overførte nerves præspinale rute; Sti B, den grønne linje, viser den overførte nerves prætrakeale rute; Sti C, den røde linje, viser den subkutane tunnel af den overførte nerve. (C) Grafen viser længden af ruterne og den høstede C7-nerve i (B). Længden af sti A (3,3 ± 0,10 mm) var signifikant lavere end længden af den høstede C7-nerve (4,05 ± 0,11 mm; * p < 0,05, envejs ANOVA, n = 20 i hver gruppe). Længden af sti C (14,15 ± 0,20 mm) var signifikant større end den høstede C7-nerve (*** p < 0,001, envejs ANOVA, n = 20 i hver gruppe). Længden af sti B var 4,2 ± 0,08 mm (n = 20). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Elektronmikroskopianalysen af et tværsnit af nerven. (A,B) Billeder af nerven i kontrolmus. Skalabjælke = 5 μm (A) og 1 μm (B). (C,D) Billeder af den regenererede nerve en måned efter operationen. Skalabjælke = 5 μm (C) og 1 μm (D). (E, F) Billeder af den regenererede nerve på et tidspunkt fem måneder efter operationen. Skalabjælke = 5 μm (E) og 1 μm (F). (G, H) Billede af den regenererede nerve to måneder efter operationen. Skalabjælke = 5 μm (G) og 1 μm (H). Forstørrelse af A, C, E og G, 2.000x; forstørrelse af B, D, F og H, 15.000x. (I) G-forholdet (forholdet mellem myelinskedens indre og ydre diameter) er lavere i kontrolgruppeprøver end i 4-ugers prøver og lig med prøver 6-8 uger efter operationen (***: p < 0,001; sammenligning ved forskellige gruppeaxoner med t-test; n = 3 mus i hver gruppe). Forkortelser: CC7= kontralateral cervikal syvende nerveoverførsel; CC7-XW = X uger efter operationen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Elektromyografianalyse efter den kontralaterale C7-nerveoverførsel indikerer hastigheden af nerveregenerering. (A) Skematisk diagram, der viser elektronisk overførselsstimulering og in vivo-elektromyografioptagelse . Stimuleringsintensiteten var den samme under hele testen (2 mA). Stimuleringsstedet er C7-nerven proksimal til anastomose. (B, C) Fotografier, der viser handlingspotentiale registreret ved pectoralis major to uger (B) og fire uger (C) efter operationen. (D, E) EMG blev registreret i extensor digitorum 4 uger (D) og 8 uger (E) efter operationen. (F) Efter tre uger opstod CMAP'er i triceps brachii. (G) Efter fire og otte uger steg CMAP'erne for triceps brachii. (H) Den gennemsnitlige amplitude af pectoralis major nåede ~ 0,25 mV ± 0,16 mV efter 4 uger versus 0,45 mV ± 0,03 mV efter 8 uger, hvilket viser en signifikant forskel mellem de to tidspunkter (*** p < 0,001, t-test, n = 6 i hver gruppe). (I) Den gennemsnitlige amplitude af triceps brachii nåede ~ 0,15 mV ± 0,01 mV efter 4 uger versus 0,46 mV ± 0,02 mV efter 8 uger, hvilket viser en signifikant forskel mellem de to tidspunkter (***: p < 0,001, t-test, n = 6 i hver gruppe). (J) Den gennemsnitlige amplitude af extensor digitorum nåede ~0,11 mV ± 0,01 mV efter 4 uger versus 0,29 mV ± 0,02 mV efter 8 uger, hvilket viser en signifikant forskel mellem de to tidspunkter (***: p < 0,001, t-test, n = 6 i hver gruppe). Forkortelser: EMG = elektromyografi; CMAP = sammensat muskelaktionspotentiale. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: CTB retrograd mærkning af motoriske og sensoriske neuroner af den overførte C7-nerve. CTB blev injiceret i den distale ende af C7-nerveanastomosen 4 uger efter CC7-operationen. (A) De sensoriske neuroner blev mærket til DRG. (B, C) Motorneuronerne i den overførte C7-nerve blev mærket til rygsøjlens forreste horn. Forstørrelse, 20x. Skalastang = 200 μm (A, B); 100 μm (C). Forkortelser: CTB = koleratoksin underenhed B; DRG = dorsal rod ganglion; DAPI = 4′,6-diamidino-2-phenylindol. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Adfærdsændringer efter CC7 operation. (A) Billederne viser cylindertesten af musene. (B) Oversigtsgraf, der viser effekten af CC7-overførsel 4 uger og 8 uger efter operationen på TBI-musene (n = 6 mus). p = 0,001; Uparret T-test. Den gennemsnitlige brug af det svækkede forben var 54,17% ± 3,01% i Control + Sham-gruppen versus 22,5% ± 2,14% i TBI + Sham-gruppen; 35,83% ± 2,39% i TBI + CC7-gruppen 4 uger efter CC7-operationen, hvilket indikerer en signifikant forskel (envejs ANOVA; p < 0,05, n = 6 i hver gruppe). 8 uger efter CC7-overførsel var brugen 53,33% ± 3,80%, 24,17% ± 3,01% og 40,00% ± 1,83% i henholdsvis Control + Sham-gruppen, TBI + Sham-gruppen og TBI + CC7-grupperne, en signifikant forskel (*p < 0,05, envejs ANOVA, n = 6 i hver gruppe). (C) Billederne viser gittergangtesten. (D) Grafen viser, at de gennemsnitlige fejlprocenter for den svækkede forben i TBI + Sham-gruppen var 85,41% ± 1,59% (n = 6) svarende til TBI + CC7-gruppen 80,17% ± 2,19% (n = 6), og begge var mere end Control + Sham-gruppen (50,99% ± 11,69%). 8 uger efter operationen var fejlprocenten i TBI + CC7-gruppen 76,87 ± 1,07% (n = 6), hvilket er signifikant lavere end TBI + Sham-gruppen (83,06% ± 1,41%; p < 0,05, envejs ANOVA, n = 6 i hver gruppe). Forkortelser: CC7= kontralateral cervikal syvende nerveoverførsel; TBI = traumatisk hjerneskade. Klik her for at se en større version af denne figur.
Discussion
I klinikken er krydsning af nerveoverførselskirurgi blevet brugt til behandling af patienter med brachial plexus avulsionsskade og efter hjerneskade, såsom slagtilfælde og TBI 7,9,12. Især er hjerneskade en alvorlig neurologisk tilstand, der kan føre til flere komplikationer, herunder epilepsi, cerebral brok og infektion13. Ikke alle patienter med ensidig hjerneskade er egnede til CC7-kirurgi. Generelt er CC7-kirurgi blevet udført hos patienter med central hemiplegi i det kroniske stadium (6 måneder efter skade) for at undgå påvirkning af hjerneødem så meget som muligt. Patienter med kognitiv svækkelse og quadriplegi efter hjerneskade udelukkes fra behandling for CC7-kirurgi.
De fleste undersøgelser har rapporteret ved hjælp af en subkutan tilgang og sural eller ulnar nervetransplantat anastomose til at overføre den kontralaterale C7 nerverod14,15. Imidlertid kræver nerveregenerering ved sådanne metoder seks måneder, hvilket kan hindre motorgendannelsesprocessen og endda potentielt påvirke hjernens plasticitet14. I tidligere undersøgelser blev kontralateral C7-overførsel udført hos rotter, og den bilaterale C7-nerve blev anvendt via 4 tråde af den interpositionelle autograferede suralnerve. Der har dog ikke været rapporter om C7-nerveoverførsel via præspinalvejen hos mus. Vi udførte CC7-kirurgi af den modificerede præspinale rute hos mus og verificerede hastigheden af funktionel genopretning efter C7-nerveoverførsel. I denne undersøgelse forbedrede kontralateral C7-nerveoverførsel via præspinalvejen lammet lemfunktion en måned efter operationen, hvilket afspejler en kortere restitutionstid for den nervepodede dyremodel. Derfor kunne denne model præcist simulere kliniske situationer og lægge grundlaget for yderligere eksperimenter.
Hvordan man dissekerer nerveroden og reducerer risikoen er væsentlige spørgsmål for C7-overførsel. I modsætning til hos mennesker er musens brachiale plexus placeret i brystet under kravebenet 5,16. Derfor måtte adgangsstrategien ændres for at muliggøre observation af roden af C7-nerven og rygsøjlen17. Sternotomi er en sikker og effektiv operativ tilgang og anvendes almindeligvis i museforsøg i kardiothoraxkirurgi18,19. C6 lamina ventrali er også en hindring for overførsel af nerver. Således blev sternotomikirurgi udført for at dissekere C7-nerveroden og adskille C6 lamina ventrali for at forkorte overførselsafstanden.
Selvom præspinalruten kan øge succesraten for direkte anastomose af nerveoverførselskirurgi betydeligt, kan ikke alle mus anastomoseres direkte. Dette skyldes hovedsageligt de anatomiske forskelle i disse mus. Den midterste bagagerum (C7-nerven) smelter sammen med den øvre eller nedre stamme på et sted meget tæt på de intervertebrale foramen. Således er længden af C7-nerverne, der er tilgængelige til høst, utilstrækkelig. I øjeblikket er den eneste tilgang nervetransplantation eller udskiftning af mus. Denne model anvendes typisk i 8 uger gamle mus (20-25 g), da musene er modne og C7-nerverne er af tilstrækkelig størrelse til at blive håndteret. Selvom denne kirurgiske protokol også gælder for unge mus, vil operationens sværhedsgrad øges betydeligt hos yngre mus.
Forbenets motoriske funktion hos mus i TBI + CC7-gruppen blev signifikant øget efter en måned og to måneder, hvilket tyder på, at den overførte C7-nerve bidrog til genopretningen af det nedsatte forben. Remyelinering er afgørende for funktionel neural genopretning. En tidligere undersøgelse viste, at myelinskederne af skadede nerver regenererede efter en måned, i overensstemmelse med disse resultater20. Her modnedes den overførte nerve gradvist, hvilket var i overensstemmelse med adfærdstesten. Elektromyografi blev brugt til yderligere at teste hastigheden af funktionel genopretning efter nerveoverførsel. Resultaterne viste, at den overførte nerve innerverede den berørte muskel 4 uger efter operationen. Især er denne undersøgelse den første til at bestemme tidspunktet for reinnervering med en direkte anastomose efter krydsning af nerveoverførselskirurgi.
Sammenfattende simulerede vi klinisk kirurgi for at etablere en protokol for direkte anastomose af bilaterale brachial plexusnerver via præspinalruten hos mus og bekræftede funktionen af den forskudte nerve. Musemodellen bidrog til belysning af de neurale mekanismer, der ligger til grund for rehabilitering ved krydsning af nerveoverførsel efter skader på det centrale og perifere nervesystem.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter at erklære.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (82071406, 81902296 og 81873766).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1 mL syringe | KDL | K-20200808 | |
| 12-0 nylon sutures | Chenghe | 20082 | |
| 5-0 silk braided | MERSILK,ETHICON | QK312 | |
| 75% ethanol | GENERAL-REAGENT | P1762077 | |
| Acupuncture needle | Chengzhen | 190420 | Use for making retractors |
| Automatic clipper | Codos | CHC-332 | |
| C57BL/6N mice | SLAC laboratory (Shanghai) | C57BL/6Slac | |
| Electrocautery | Gutta Cutter | SD-GG01 | |
| Erythromycin ointment | Baiyunshan | H1007 | |
| Iodophor disinfection solution | Lionser | 20190220 | |
| Medical tape | Transpore,3M | 1527C-0 | |
| Micro needle holder | Chenghe | X006-202003 | |
| Micro-forceps | Chenghe | B001-201908 | |
| Micro-scissors | 66VT | 1911-2S276 | |
| Operating microscope | OLYMPUS | SZX7 | |
| Ophthalmic scissor | Chenghe | X041D1251 | |
| Pentobarbital sodium | Sigma | 20170608 | |
| Plastic infusion tube | KDL | C-20191225 | |
| Sterile normal saline | KL | L121021109 | |
| Vascular forceps | Jinzhong | J31020 | |
| Warming pad | RWD | 69027 |
References
- Aszmann, O. C., et al. Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. Lancet. 385 (9983), 2183-2189 (2015).
- Gu, Y., Xu, J., Chen, L., Wang, H., Hu, S. Long term outcome of contralateral C7 transfer: a report of 32 cases. Chinese Medical Journal. 115 (6), 866-868 (2002).
- Gu, Y. D., et al. Long-term functional results of contralateral C7 transfer. Journal of Reconstructive Microsurgery. 14 (1), 57-59 (1998).
- Feng, J. T., et al. Brain functional network abnormality extends beyond the sensorimotor network in brachial plexus injury patients. Brain Imaging and Behavior. 10 (4), 1198-1205 (2016).
- Stephenson, J. B. t, Li, R., Yan, J. G., Hyde, J., Matloub, H. Transhemispheric cortical plasticity following contralateral C7 nerve transfer: a rat functional magnetic resonance imaging survival study. The Journal of Hand Surgery. 38 (3), 478-487 (2013).
- Hübener, M., Bonhoeffer, T. Neuronal plasticity: beyond the critical period. Cell. 159 (4), 727-737 (2014).
- Zheng, M. X., et al. Trial of contralateral seventh cervical nerve transfer for spastic arm paralysis. The New England Journal of Medicine. 378 (1), 22-34 (2018).
- Spinner, R. J., Shin, A. Y., Bishop, A. T. Rewiring to regain function in patients with spastic hemiplegia. The New England Journal of Medicine. 378 (1), 83-84 (2018).
- Hua, X. Y., et al. Contralateral peripheral neurotization for hemiplegic upper extremity after central neurologic injury. Neurosurgery. 76 (2), 187-195 (2015).
- Robertson, C. S., et al. Effect of erythropoietin and transfusion threshold on neurological recovery after traumatic brain injury: a randomized clinical trial. Journal of the American Medical Association. 312 (1), 36-47 (2014).
- Skolnick, B. E., et al. A clinical trial of progesterone for severe traumatic brain injury. The New England Journal of Medicine. 371 (26), 2467-2476 (2014).
- Wang, G. B., et al. Contralateral C7 to C7 nerve root transfer in reconstruction for treatment of total brachial plexus palsy: anatomical basis and preliminary clinical results. Journal of Neurosurgery. Spine. 29 (5), 491-499 (2018).
- Wilson, L., et al. The chronic and evolving neurological consequences of traumatic brain injury. The Lancet. Neurology. 16 (10), 813-825 (2017).
- Hua, X. Y., et al. Enhancement of contralesional motor control promotes locomotor recovery after unilateral brain lesion. Scientific Reports. 6, 18784 (2016).
- Hua, X. Y., et al. Interhemispheric functional reorganization after cross nerve transfer: via cortical or subcortical connectivity. Brain Research. 1471, 93-101 (2012).
- Pan, F., Wei, H. F., Chen, L., Gu, Y. D. Different functional reorganization of motor cortex after transfer of the contralateral C7 to different recipient nerves in young rats with total brachial plexus root avulsion. Neuroscience Letters. 531 (2), 188-192 (2012).
- Yamashita, H., et al. Restoration of contralateral representation in the mouse somatosensory cortex after crossing nerve transfer. PLoS One. 7 (4), 35676 (2012).
- Tavakoli, R., Nemska, S., Jamshidi, P., Gassmann, M., Frossard, N. Technique of minimally invasive transverse aortic constriction in mice for induction of left ventricular hypertrophy. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (127), e56231 (2017).
- Melhem, M., et al. A Hydrogel construct and fibrin-based glue approach to deliver therapeutics in a murine myocardial infarction model. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (100), e52562 (2015).
- Liu, B., et al. Myelin sheath structure and regeneration in peripheral nerve injury repair. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (44), 22347-22352 (2019).
- Overman, J. J., et al. A role for ephrin-A5 in axonal sprouting, recovery, and activity-dependent plasticity after stroke. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (33), 2230-2239 (2012).
- Yoshikawa, A., Nakamachi, T., Shibato, J., Rakwal, R., Shioda, S. Comprehensive analysis of neonatal versus adult unilateral decortication in a mouse model using behavioral, neuroanatomical, and DNA microarray approaches. International Journal of Molecular Sciences. 15 (12), 22492-22517 (2014).
