Klinisk sikkerhed og effektivitet af infrarød neural stimulering under nerveoverførsler

En bred vifte af kirurgiske procedurer involverer lokalisering og identifikation af nerver og neurale strukturer. I tilfælde som rekonstruktion af plexus brachialis skal kirurgen identificere specifikke nervefascikler til transplantation. Mens der i andre tilfælde som rhizotomies i dorsale rod, skal kirurgen identificere hyperaktive nerverodstykker til gennemskæring. Evnen til nøjagtigt at identificere og lokalisere nerver er afgørende for at undgå utilsigtede og skadelige konsekvenser, som kan være en kostbar kilde til medicinske retssager. Kirurger er almindeligvis afhængige af deres anatomiske viden og visualisering af det kirurgiske område for at identificere og lokalisere nerver. Fordelingen af ​​nerver varierer dog fra person til person, ofte afvigende fra anatomiske atlas. For at tage højde for denne interpatientvariabilitet anvender kirurger også elektrisk stimulation (ES) metoder til at identificere og lokalisere nerver og nerve fascikler intraoperativt. Efter ES stoler kirurger på elektromyografi eller tilstedeværelsen af ​​synlige muskelsammentrækninger for at bekræfte identiteten og placeringen af ​​den stimulerede nerve. ES er imidlertid begrænset af iboende fysiske begrænsninger. Strømspredning, hvor elektrisk strøm spredes i det omgivende væv, har længe plaget ES-metoder. Som et resultat af strømspredning vil den elektriske stimulus strække sig ud over kontaktpunktet med stimulationssonden, der aktiverer tilstødende nervefascikler. Som følge heraf gør ES' dårlige stimuleringsfokalitet det til et ikke-ideelt middel at målrette mod små neurale mål eller til præcist at overvåge neurale strukturer i umiddelbar kontakt med stimulationselektroden. I kliniske procedurer kan aktiveringen af ​​fjernt neuralt væv eller flere neurale strukturer introducere tvetydighed og usikkerhed med hensyn til identiteten og placeringen af ​​specifikke neurale strukturer, hvilket giver anledning til bekymring blandt kirurger. Der er således behov for en neural stimulationsteknik med en højere grad af rumlig selektivitet for at forbedre nervelokalisering og identifikation under operation.

Infrarød neural stimulation (INS) er en etiketfri optisk metode, der bruges til at excitere neuralt væv med lavenergiimpulser af infrarødt lys. Som en optisk neurostimuleringsteknik besidder INS en høj grad af rumlig specificitet uden behov for direkte kontakt med vævet (figur 1). Vores gruppe har gentagne gange demonstreret den rumlige specificitet af INS til at aktivere individuelle nervefascikler hos rotter, ikke-menneskelige primater og mennesker in vivo. De første resultater fra vores gruppe har også fået andre grupper til at udnytte den rumlige selektivitet af INS til andre kliniske anvendelser såsom nerveovervågning og hjertestimulering. Den iboende rumlige præcision af INS er et direkte resultat af dens underliggende biofysiske mekanisme. Aflejringen af ​​infrarødt lys i det neurale væv forårsager en forbigående termisk gradient, der depolariserer cellemembranen gennem en termisk induceret ændring i membrankapacitans. Den termiske energi fra de infrarøde impulser er rumligt begrænset til det bestrålede volumen som bestemt af laserpletstørrelsen og lysets penetrationsdybde i væv. Vores gruppe såvel som andre har histologisk bevist, at INS sikkert og pålideligt kan excitere nerver uden at påføre skade. I betragtning af disse fordele i forhold til traditionelle ES-metoder, mener efterforskerne, at INS er en levedygtig alternativ stimuleringsteknik, især i kirurgiske tilfælde, hvor der er behov for begrænset neurostimulation. Målet med dette forslag er at udnytte INS' iboende styrker og anvende dem til operationer i øvre lemmer, hvor rumlig præcis neurostimulering er nødvendig for nerveidentifikation og lokalisering. Denne undersøgelse vil bygge på vores gruppes tidligere kliniske arbejde og yderligere etablere INS som en værdifuld tilføjelse til kliniske neurostimuleringsmetoder.

Formålet med dette forslag er todelt: at demonstrere effektiviteten af ​​INS til rumligt selektiv nervestimulation i den øvre ekstremitet og at bestemme den histologiske sikkerhed af INS ved hjælp af diodelasersystemer hos menneskelige patienter. For at gøre dette vil efterforskerne rekruttere patienter, der gennemgår plexus brachialis-rekonstruktion (BPR) og nerveoverførselsoperationer, hvor både effektiviteten og den rumlige selektivitet af INS kan påvises, og histologiske prøver kan opnås uden skade for patienternes kvalitet af pleje eller helbredelse. For at nå disse mål foreslår efterforskerne følgende mål:

Mål 1: Design og fremstilling af en klinisk fiberoptisk sonde til et diodebaseret INS-system. Ved at bruge vores eksisterende diodelasere vil efterforskerne skabe et klinisk diodelaser-INS-system ved at konstruere INS fiberoptiske sonder. Fiberoptiske sonder vil blive designet og karakteriseret til at indsamle lys fra vores diodelasere og levere det lys til nerven. Sonderne vil være steriliserbare, ergonomiske og manøvrerbare, transmissive ved de relevante bølgelængder og give ensartede stimuleringsparametre. Probedesignet vil være baseret på eksisterende kliniske ES-prober og modificeret baseret på kirurgens feedback.

Mål 2: Demonstrere effektiviteten af ​​INS i tilfælde af nerveoverførsel Mens INS med dyre kliniske lasere har vist sig at være et effektivt middel til nervestimulering, er INS med diodelasere endnu ikke blevet påvist hos menneskelige patienter. Her vil efterforskeren stimulere nerver identificeret til overførsel eller podning over en række simuleringsparametre (pulsbredde, pletstørrelse, energi pr. arealenhed osv.) for at bestemme stimulationstærsklen. Kun dele af nerven, der ikke længere er funktionelt nødvendige, vil blive stimuleret optisk. Vellykkede INS-begivenheder vil blive bestemt af visuelle muskelsammentrækninger. Stimuleringstærskler vil blive bestemt ved at tilpasse dataene til en kumulativ distributionsfunktion.

Mål 3: Bestem den histologiske sikkerhed af det diodebaserede INS-system I forbindelse med mål 2 vil stimulationssteder på nerven blive høstet og histologisk undersøgt for tegn på INS-induceret skade. Stimuleringssteder vil blive markeret med et vævsfarvestof og udskåret til histologisk forberedelse. Hvad angår vævsfarvestoffet, vil undersøgelseskirurgen bruge en steril kirurgisk markeringspen til at markere stimulationsstedet. Disse sterile kirurgiske markeringspenne er beregnet til at blive brugt in vivo til at markere væv. De sterile kirurgiske markeringspenne bruges regelmæssigt i rutinepleje til at mærke væv intraoperativt. Der er ingen yderligere risiko for studiedeltagere, som vil få deres stimulationssted markeret med en steril kirurgisk markeringspen. Stimuleringsstedet (nervesegmentet), der vil blive markeret med den sterile kirurgiske markeringspen, vil blive skåret ud til histologisk forberedelse.

Når prøverne er fikseret og skåret i skiver, vil de blive farvet med toluidinblåt og/eller Luxol hurtig blå-Periodic acid Schiff-farver og afbildet. Billedglas vil blive undersøgt for tegn på myelinafbrydelse, kollagenhyalinisering og forkulning blandt andre kriterier. Der vil også blive udviklet et histologisk skadesgraderingsskema baseret på skadens sværhedsgrad og dybde i forhold til selve nerven. Skadegrænser vil på samme måde blive bestemt ved hjælp af probitanalyse og sammenlignet med stimuleringstærsklen for at bestemme sikkerhedsmarginen.

INS har potentialet til at fungere som værdifuld neural stimulationsteknik i klinikken. På grund af sin høje grad af rumlig selektivitet kan INS forbedre nuværende elektriske stimuleringsmetoder, der kan excitere flere nerver eller fascikler på én gang på grund af strømspredning og derfor reducere usikkerheden under nerveidentifikationsprocedurer. Mens INS er blevet brugt med succes og sikkert i mennesker, er omkostningseffektive laserdiodesystemer endnu ikke blevet evalueret. Dette forslag vil give mulighed for udvikling og afprøvning af et klinisk diodebaseret INS-system med hensyn til både effektivitet og sikkerhed. Dette forslag samler et komplementært team af efterforskere med unik ekspertise inden for både de kliniske og tekniske aspekter af INS og dets applikationer. Anvendelsen af ​​INS i BPR- og nerveoverførselstilfælde vil give os mulighed for at bestemme stimulerings- og sikkerhedstærsklerne for diodebaserede INS hos mennesker vil bane vejen for, at denne teknik kan anvendes i andre procedurer, hvor forbedret rumlig specificitet er yderst fordelagtig. Ved at udvide brugen af ​​INS til tilfælde af overekstremiteter, kan denne teknik påvirke standarden for pleje i operationer, der anvender stimulering til at identificere specifikke nerver og nervefascikler.