Klinická bezpečnost a účinnost infračervené nervové stimulace během nervových přenosů

Široká škála chirurgických zákroků zahrnuje lokalizaci a identifikaci nervů a nervových struktur. V případech, jako je rekonstrukce brachiálního plexu, musí chirurg identifikovat specifické nervové svazky pro transplantaci. Zatímco v jiných případech, jako jsou rhizotomie dorzálních kořenů, musí chirurg identifikovat hyperaktivní nervové kořeny pro transekci. Schopnost přesně identifikovat a lokalizovat nervy je zásadní pro zamezení neúmyslným a škodlivým důsledkům, které mohou být nákladným zdrojem lékařsko-právních soudních sporů. Chirurgové při identifikaci a lokalizaci nervů běžně závisí na svých anatomických znalostech a vizualizaci operačního pole. Rozložení nervů se však liší od člověka k člověku, často se odchyluje od anatomických atlasů. K vysvětlení této variability mezi pacienty používají chirurgové také metody elektrické stimulace (ES) k identifikaci a lokalizaci nervů a nervových svazků během operace. Po ES se chirurgové spoléhají na elektromyografii nebo přítomnost viditelných svalových kontrakcí k potvrzení identity a umístění stimulovaného nervu. ES je však omezeno přirozenými fyzickými omezeními. Šíření proudu, při kterém se elektrický proud rozptyluje do okolní tkáně, sužuje metody ES již dlouho. V důsledku šíření proudu se elektrický stimul rozšíří za bod kontaktu se stimulační sondou aktivující sousední nervové svazky. V důsledku toho je slabá stimulační ohnisková vzdálenost ES neideálním prostředkem k zacílení malých nervových cílů nebo k přesnému sledování nervových struktur v bezprostředním kontaktu se stimulační elektrodou. V klinických postupech může aktivace vzdálené nervové tkáně nebo více nervových struktur vnést nejednoznačnost a nejistotu, pokud jde o identitu a umístění specifických nervových struktur, což vyvolává obavy mezi chirurgy. Existuje tedy potřeba techniky nervové stimulace s vyšším stupněm prostorové selektivity pro zlepšení lokalizace nervu a identifikace během operace.

Infračervená neurální stimulace (INS) je optická metoda bez označení používaná k excitaci nervové tkáně nízkoenergetickými pulzy infračerveného světla. Jako optická neurostimulační technika má INS vysoký stupeň prostorové specifičnosti bez nutnosti přímého kontaktu s tkání (obrázek 1). Naše skupina opakovaně prokázala prostorovou specifičnost INS pro aktivaci jednotlivých nervových svazků u potkanů, primátů a lidí in vivo. Počáteční zjištění naší skupiny také vedla další skupiny k využití prostorové selektivity INS pro další klinické aplikace, jako je monitorování nervů a srdeční stimulace. Inherentní prostorová přesnost INS je přímým výsledkem jeho základního biofyzikálního mechanismu. Ukládání infračerveného světla do nervové tkáně způsobuje přechodný tepelný gradient, který depolarizuje buněčnou membránu prostřednictvím tepelně indukované změny kapacity membrány. Tepelná energie z infračervených pulzů je prostorově omezena na ozařovaný objem, jak je určeno velikostí laserové skvrny a hloubkou pronikání světla do tkáně. Naše skupina i další histologicky prokázali, že INS dokáže bezpečně a spolehlivě vzrušovat nervy, aniž by došlo k poškození. Vzhledem k těmto výhodám oproti tradičním prostředkům ES se vědci domnívají, že INS je životaschopnou alternativní stimulační technikou, zejména v chirurgických případech, kde je potřeba omezené neurostimulace. Cílem tohoto návrhu je využít vnitřní síly INS a aplikovat je na operace horních končetin, kde je pro identifikaci a lokalizaci nervu nezbytná prostorově přesná neurostimulace. Tato studie naváže na předchozí klinickou práci naší skupiny a dále prokáže INS jako cenný doplněk klinických neurostimulačních metod.

Cíl tohoto návrhu je dvojí: prokázat účinnost INS pro prostorově selektivní stimulaci nervů na horní končetině a určit histologickou bezpečnost INS pomocí diodových laserových systémů u lidských pacientů. Za tímto účelem vyšetřovatelé přijmou pacienty podstupující rekonstrukci brachiálního plexu (BPR) a operace přenosu nervů, kde lze prokázat jak účinnost, tak prostorovou selektivitu INS a lze získat histologické vzorky bez újmy na kvalitě péče nebo zotavení pacientů. K dosažení těchto cílů navrhují vyšetřovatelé následující cíle:

Cíl 1: Navrhnout a vyrobit klinickou vláknovou optickou sondu pro systém INS na bázi diod Pomocí našich stávajících diodových laserů vytvoří výzkumní pracovníci klinický diodový laserový INS systém zkonstruováním vláknových sond INS. Fiberoptic sondy budou navrženy a charakterizovány tak, aby sbíraly světlo z našich diodových laserů a dodávaly toto světlo do nervu. Sondy budou sterilizovatelné, ergonomické a ovladatelné, propustné na příslušných vlnových délkách a budou poskytovat konzistentní parametry stimulace. Návrh sondy bude založen na stávajících klinických ES sondách a upraven na základě zpětné vazby od chirurga.

Cíl 2: Prokázat účinnost INS u případů přenosu nervů Zatímco INS s drahými klinickými lasery se ukázaly jako účinný prostředek nervové stimulace, INS s diodovými lasery musí být u lidských pacientů ještě prokázány. Zde bude vyšetřovatel stimulovat nervy identifikované pro přenos nebo roubování v rámci řady parametrů simulace (šířka pulsu, velikost skvrny, energie na jednotku plochy atd.), aby určil stimulační práh. Opticky budou stimulovány pouze části nervu, které již nejsou funkčně potřebné. Úspěšné události INS budou určeny vizuálními svalovými kontrakcemi. Stimulační prahy budou určeny přizpůsobením dat kumulativní distribuční funkci.

Cíl 3: Stanovení histologické bezpečnosti systému INS na bázi diod Ve spojení s cílem 2 budou místa stimulace na nervu odebrána a histologicky vyšetřena na důkaz poškození vyvolaného INS. Místa stimulace budou označena tkáňovým barvivem a vyříznuta pro histologickou preparaci. Pokud jde o tkáňové barvivo, chirurg studie použije k označení místa stimulace sterilní chirurgické značkovací pero. Tato sterilní chirurgická značkovací pera jsou určena k použití in vivo ke značení tkání. Sterilní chirurgická značkovací pera se pravidelně používají v rutinní péči ke značení tkání během operace. Neexistuje žádné další riziko pro účastníky studie, kteří budou mít místo stimulace označeno sterilním chirurgickým značkovacím perem. Místo stimulace (nervový segment), které bude označeno sterilním chirurgickým značkovacím perem, bude vyříznuto pro histologickou preparaci.

Jakmile jsou vzorky fixovány a nakrájeny, budou obarveny toluidinovou modří a/nebo barvivem Luxol fast blue-kyselina periodická Schiff a zobrazeny. Zobrazená sklíčka budou kromě jiných kritérií zkoumána na důkazy narušení myelinu, hyalinizace kolagenu a zuhelnatění. Bude také vyvinuto schéma klasifikace histologického poškození na základě závažnosti a hloubky poškození s ohledem na samotný nerv. Prahové hodnoty poškození budou podobně určeny pomocí probitové analýzy a porovnány s prahem stimulace, aby se určila hranice bezpečnosti.

INS má potenciál sloužit jako cenná technika nervové stimulace na klinice. Díky svému vysokému stupni prostorové selektivity by INS mohl vylepšit současné elektrické metody stimulace, které mohou excitovat více nervů nebo fasciklů najednou v důsledku šíření proudu, a proto snížit nejistotu během postupů identifikace nervů. Zatímco INS byl úspěšně a bezpečně používán u lidí, nákladově efektivní laserové diodové systémy musí být ještě vyhodnoceny. Tento návrh umožní vývoj a testování klinického systému INS na bázi diod z hlediska účinnosti i bezpečnosti. Tento návrh spojuje komplementární tým výzkumníků s unikátními odbornými znalostmi jak v klinických, tak v technických aspektech INS a jeho aplikací. Využití INS v případech BPR a nervových přenosů nám umožní určit stimulační a bezpečnostní prahy INS na bázi diod u lidí, připraví cestu pro použití této techniky v jiných postupech, kde je vylepšená prostorová specificita vysoce výhodná. Rozšířením použití INS na případy horních končetin by tato technika mohla významně ovlivnit standard péče v ordinacích využívajících stimulaci k identifikaci specifických nervů a nervových svazků.