Sağlam Periferik Sinir Sinyallerinin Amplifikasyonu için Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü
13 Ocak 2022
Bu yazıda, Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (MC-RPNI) adı verilen biyolojik periferik sinir arayüzü geliştirmek için yenilikçi bir yöntem sunulmaktadır. Bu cerrahi yapı, motor niyetin doğru tespitini ve dış iskelet cihazlarının potansiyel kontrolünü kolaylaştırmak için ilişkili periferik sinirin motor efferent sinyallerini yükseltebilir.
Fizyolojik sinir sinyalleri, şu anda mevcut elektrotlarla güvenilir bir şekilde kaydedilemeyecek kadar küçük olan mikrovolt seviyesindedir. MC-RPNI, sağlam periferik sinirlerle arayüz oluşturabilir ve motor niyetinin güvenilir ve doğru bir şekilde algılanmasını kolaylaştırmak için küçük sinyalleri yüz kattan fazla yükseltebilir. Bu tekniğin birincil avantajı biyolojik doğasıdır.
Sinirin kendisi veya distal olarak innerve kas hedefleri üzerinde zararlı bir etkiye neden olmadan uzun vadede sağlam periferik sinirlerle arayüz oluşturabilir. Ekstremite zayıflığı olanlara işlevi geri kazandırabilen güçlendirilmiş dış iskelet cihazları, motor niyeti güvenilir ve doğru bir şekilde tespit edememe nedeniyle nadiren tam potansiyelleriyle kullanılır. Biyolojik sinir sinyali amplifikasyon yetenekleri nedeniyle, kas manşeti RPNI bu eksikliklerin cevabıdır.
İstenilen donör arka bacağın ön yönü boyunca, ayak bileğinin hemen üstünden dizin hemen altına kadar uzanan uzunlamasına bir kesi yapın ve 15 numaralı bir neşter kullanın. Altta yatan subkutan dokuyu keskin iris makası ile diseke ederek altta yatan kas sistemini ve distal tendonları ayak bileği eklemine hemen proksimal olarak ortaya çıkarın. EDL kasını ve distal tendonunu çevredeki kas yapısından izole edin.
Distal tendonun altına forseps veya iris makasının her iki çatalını da ayak bileği ekleminin hemen yakınına yerleştirerek doğru tendonun izolasyonunu sağlayın. Tendon üzerinde yukarı doğru baskı uygulamak için forseps veya makası açın. EDL kasının distal tenotomisini ayak bileği seviyesinde keskin iris makası ile gerçekleştirin ve kası, tendinöz kökenine doğru proksimal olarak çalışan çevre dokulardan arındırılmış olarak diseke edin.
Proksimal tendon görselleştirildikten sonra, grefti serbest bırakmak, kas greftinin her iki tendinöz ucunu kesmek ve keskin iris makası ile istenen uzunlukta kesmek için keskin iris makası ile proksimal bir tenotomi yapın. Sinirin kas grefti içine yerleştirilmesini kolaylaştırmak ve sinirin endomisyum ile temasını sağlamak için kas greftinin bir tarafındaki tüm kesilmiş uzunluk boyunca uzunlamasına bir kesi yapın. Hazırlanan kas greftini, doku kurumasını önlemek için tuzlu suyla nemlendirilmiş bir gazlı bez içine yerleştirin.
Siyatik çentikten inferior diz eklemine kadar yaklaşık 5 milimetrelik bir çizgiden uzanan cerrahi insizyonu işaretleyin. Deri ve deri altı dokuları işaretli kesi çizgisi boyunca 15 numaralı bıçakla kesin. Altta yatan biseps femoröz fasyasını dikkatlice kesin, siyatik sinir hemen aşağıda yattığı için kasın tüm derinliği boyunca uzanmamaya özen gösterin.
Daha sonra künt uçlu küçük makas veya hemostat ile biseps femorous kas boyunca dikkatlice disseke edin. Ortak perineal veya CP sinirini tanımlayın ve bir çift mikro forseps ve mikro makasla çevredeki sinirlerden dikkatlice izole edin. Çevreleyen bağ dokusunu sinirin ortasından 2 santimetreden çıkarın, siniri ezmemeye özen gösterin.
Proksimal epinöryumu serbest bırakılmış CP sinirinin merkezi en büyük kısmı üzerinde mikro forseps ile tutun ve mikrodiseksiyon makası ile hemen epinöroniyuma kesin. Daha sonra, kas grefti uzunluğuna uyan bir epinevriyal pencere yapmak ve epinöroniyumun yaklaşık% 25'ini çıkarmak için sinir boyunca distal olarak seyahat edin. Bu segmenti tek parça halinde çıkarmaya özen gösterin.
Kas greftini salinle nemlendirilmiş gazlı bezden çıkarın ve epinöryal pencerenin oluşturulduğu CP sinirinin orta kısmının altına yerleştirin. Siniri 180 derece döndürün, böylece epinöryal pencere bölümü sağlam kaslara dokunur ve nihai dikiş çizgisinin altında kalmaz. CP sinir epinöroyumunu 8-O ile dikiş atın naylon sütür, epinöryumu endomiyuma sabitlemek için basit kesilmiş sütürlerle oluk içindeki kas greftine proksimal ve distal olarak dikilir.
Çevresel olarak, şimdi sabitlenmiş siniri çevreleyen kas greftindeki kenarları sarın ve dikiş, kesintiye uğramış 8-O ile yerinde naylon dikişler. Hemostaz elde edildikten sonra, yapı üzerindeki biseps femoröz fasyasını 5-O kromik sütür ile koşu tarzında kapatın. Üstteki cildi 4-O kromik dikişle çalışır şekilde kapatın.
MC-RPNI kesitinin H&E boyaması kas ve siniri gösterir. MC-RPNI'li bir sıçanda ipsilateral distal olarak innerve EDL kasının enine kesiti, MC-RPNI'si olmayan bir kontrol sıçanındaki kesitle karşılaştırıldığında, önemli bir fibroz veya yara izi olmadan canlı sinir ve kas dokusu göstermiştir. Bir MC-RPNI örneğinin uzunlamasına bir bölümünün immünohistokimyası, DAPI ile mavi boyalı çekirdekleri ve yeşil boyalı sinir dokusunu gösterir.
Başka bir başarılı MC-RPNI'nin yakın çekimi, asetilkolin reseptörleri için kırmızı renkte alfa-bungarotoksin ile boyanmış çoklu innerve nöromüsküler kavşakları gösterir. MC-RPNI yapılarında yapılan elektrofizyolojik testler, üretilen bileşik kas aksiyon potansiyellerinin veya CMAP'lerin dalga formlarının görünüşte doğal kaslara benzer olduğunu ve içerdikleri sinir tarafından reinnerve olduklarını daha da desteklediğini göstermiştir. Proksimal CP sinir stimülasyonunu takiben fizyolojik EDL kası tarafından üretilen CMAP'ler tipik olarak 20 ila 30 milivolt arasında değişir.
İmplante edilmiş MC-RPNI'li sıçanlarda EDL CMAP'ler önemli ölçüde farklı değildir, ortalama 24.27 milivolt artı veya eksi 1.34 milivolttur. Bir çalışmada kullanmadan önce epinöryal bir pencere oluşturma pratiği yapmak çok önemlidir. Epinöryum, sinir üzerinde çok ince, kırılgan bir örtüdür ve altta yatan sinir liflerine zarar vermek, sonuçları oldukça öngörülemeyen şekillerde değiştirebilir.
Bu yapılar 3 ay sonra sıçanlarda olgun olarak kabul edilir ve özelleştirme yetenekleri sonsuzdur. Olgunlaşmayı takiben, MC-RPNI fizyolojik değerlendirmelerde, elektrofizyolojik analizlerde ve kas kuvveti testlerinde kullanılabilir. Uçtan uca nörorhafi, transekte bir sinirin, sağlam sinirden greftli segmente filizlenmesini indükleyen sağlam bir periferik sinire kaplandığı cerrahi içinde nispeten yeni bir kavramdır.
Bu fenomenin doğrudan sağlam sinire aşılanmış kaslarda da meydana geldiğini keşfettik ve daha fazla araştırma için olasılıklar büyüleyici.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu el yazması, biyolojik periferik sinir arayüzü geliştirmek için yenilikçi bir yöntem olan Kas Manşetli Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (MC-RPNI) sunmaktadır. Bu cerrahi yapı, periferik sinirlerden gelen motor efferent sinyalleri güçlendirerek, ekzoskeletal cihazların potansiyel kontrolü için motor niyetinin algılanmasını artırır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Biyomedikal Mühendisliği
- Nöroprozetik
Arka Plan
- Fizyolojik sinir sinyalleri tipik olarak mikrovolt aralığındadır.
- Mevcut elektrotlar bu küçük sinyalleri güvenilir bir şekilde kaydetmekte zorlanmaktadır.
- MC-RPNI, uzun süreli olarak sağlam periferik sinirlerle arayüz oluşturabilir.
- Bu yöntem, sinir veya kas hedeflerini olumsuz etkilemez.
Çalışmanın Amacı
- Sinir sinyallerini güçlendiren bir biyolojik arayüz geliştirmek.
- Motor niyetinin tespitinin güvenilirliğini artırmak.
- Güçlendirilmiş ekzoskeletal cihazların işlevselliğini artırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Kas Manşetli Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzünün geliştirilmesi.
- Sinir sinyallerinin yüzlerce kat güçlendirilmesi.
- Periferik sinirlerle uzun süreli arayüz oluşturma.
- Sinyal tespit doğruluğunun değerlendirilmesi.
Ana Sonuçlar
- MC-RPNI, fizyolojik sinir sinyallerini başarıyla güçlendirdi.
- Motor niyetinin güvenilir bir şekilde tespiti sağlandı.
- Teknik, sinir dokularıyla uzun süreli uyumluluğunu gösterdi.
- Ekzoskeletal cihazların kontrolünde potansiyel uygulamalar belirlendi.
Sonuçlar
- MC-RPNI, mevcut sinir sinyali tespit yöntemlerinin sınırlamalarını giderir.
- Bu biyolojik arayüz, nöroprotetik uygulamaları önemli ölçüde artırabilir.
- Gelecek araştırmaları, motor fonksiyonun restorasyonunda kullanımını genişletebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
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.
