Elektrisk impedanstomografi og selektiv stimulering af vagusnerven (EITsVNS)

Elektroceuticals er et relativt nyt felt, hvor målet er at behandle en lang række medicinske sygdomme med elektrisk stimulering af autonome nerver. Et primært mål for intervention er den cervikale vagusnerve, da den er let kirurgisk tilgængelig og forsyner mange organer i nakke, thorax og abdomen. Det ville være ønskværdigt at stimulere selektivt for at undgå de virkninger, der ikke er målrettede i øjeblikket. Indtil for nylig har dette ikke været forsøgt tidligere, både på grund af begrænsninger i tilgængelig teknologi, men også fordi, overraskende nok, den fascikulære organisering af den cervikale vagusnerve er næsten fuldstændig ukendt; arbejde er for nylig blevet udført i dyremodeller. Formålet med denne forskning er at undersøge den funktionelle anatomi af fascikler (grupper af nervefibre) i den cervikale vagusnerve hos mennesker. Dette vil omfatte at definere innervation til hjertet, lungerne og tilbagevendende larynx og, hvis det er muligt, spiserøret, maven, bugspytkirtlen, leveren og mave-tarmkanalen. Efter at de specifikke placeringer af ovenstående grupper er identificeret, vil det være muligt at dirigere stimuleringen, så kun specifikke organer påvirkes af vagusnervestimuleringen. Især kan det være muligt at opnå en terapeutisk anfaldshæmmende effekt ved epilepsi med bedre effekt, og samtidig undgå alle normalt forekommende bivirkninger, fordi alle organfunktioner ændres, når hele nerven stimuleres.

Vores gruppe har været banebrydende i brugen af ​​en multifunktionel nervemanchet til billeddannelse af aktivitet i nerver med elektrisk impedanstomografi (EIT) og med evnen til rumligt selektiv neuromodulation. Det er blevet optimeret og valideret til brug in vivo i dyremodeller.

Vagus nervestimulation (VNS) udføres i øjeblikket hos mennesker til behandling af lægemiddelresistent epilepsi og depression. VNS som en terapeutisk intervention kan dog udvides til en bred vifte af terapeutiske anvendelser. Igangværende undersøgelser og præklinisk forskning indikerer lovende resultater i behandling af kardiovaskulære lidelser og hjertesvigt, lungeskade, astma, sepsis, leddegigt, diabetes, fedme, smertebehandling og målretning mod den antiinflammatoriske vej generelt. Derudover kunne selektiv neuromodulation bruges som en terapeutisk tilgang til behandling af akut respiratorisk distress-syndrom, der i øjeblikket er fremherskende under Covid-19-pandemien, som kræver aktivering af nogle veje (kolinerg anti-inflammatorisk vej) og ikke andre (lungefunktion) ) for effektivt at forbedre resultaterne.

Selv med VNS's enorme potentiale til behandling af en række sygdomme, eksisterer der stadig begrænsninger. Uden kendskab til målnervens neuroanatomi vil bivirkninger sejre og reducere behandlingens effektivitet. En stor del af de hyppigt oplevede bivirkninger, herunder hoste, dyspnø og hæshed, kan tilskrives aktivering af de tilbagevendende larynxnervefibre i vagusnerven. Undgåelse af vagalt udstrømning til strubehovedet alene kunne i høj grad forbedre VNS og reducere de så ofte observerede bivirkninger. Kendskab til innervationen fra alle regioner inden for den cervikale vagusnerve kunne imidlertid forbedre målrettet stimulering og terapeutisk effekt yderligere; undgå uønskede reaktioner i ikke-målrettede organer såsom åndenød og bradykardi og kan reducere risikoen for yderligere langsigtede bivirkninger, såsom udvikling af hyperglykæmi ved stimulering af epilepsi.

EIT og selektiv stimulering af den menneskelige vagusnerve lover at give information om nervens fascikulære organisering, hvilket ville muliggøre målrettet neuromodulation under behandlingen af ​​epilepsi, depression og andre lidelser uden vilkårlig vagus udstrømning, hvorved man undgår virkninger uden for målet, der i øjeblikket opleves. Effekten og terapeutiske resultater af VNS vil blive forbedret. Det kræver tværfagligt samarbejde fra biomedicinske forskere, elektronikingeniører og matematikere, og har stor interesse for dem, der er interesserede i tværfagligt arbejde på disse områder.

Under rutinemæssig vagusnervestimulatorimplantationskirurgi vil den opererende kirurg kun placere en midlertidig elektrodemanchet til formålet med denne undersøgelse, efter at have fået adgang til vagusnerven. Denne manchet vil blive fjernet under den samme operation, efter at protokollen er afsluttet, og operationen afsluttet som normalt. Denne manchet er designet til engangsbrug, lavet af steriliseret platin og silikone af medicinsk kvalitet - et lag platin, der indeholder spor og elektroder arrangeret i ringe, er begrænset mellem to lag silikone af medicinsk kvalitet. For at sikre, at manchetten er i kontakt med nerven, vil en medicinsk kvalitet silikonestøtte, i form af et rør med en åbning, eller biokompatible klemmer, der er fastgjort til manchettens åbne ender, blive brugt efter kirurgens skøn. Den ene ende af manchetten har et stik, der fører til en elektronisk enhed, der bruges til stimuleringer og optagelser. Mens patienten stadig er under deres rutinemæssige implantationskirurgi, vil både selektiv stimulering og EIT-optagelser (billeddannelse) finde sted. En elektrisk strøm vil blive drevet mellem et par elektroder på manchetten, og processen vil blive gentaget for forskellige par, mens der registreres fysiologiske parametre (EKG (registrering af hjerteaktivitet), respiration, elektrogastrogram) for at lede efter fysiologiske ændringer. Parametre, såsom strøm, pulsbredde og frekvens, vil blive justeret for at fremkalde reaktioner i nerven af ​​forskellige nervefibertyper. Stimulering vil blive udført i ca. op til 28 minutter (10 til 30 sekunder pr. par med ventetid imellem for at vende tilbage til baseline). Dette kan gentages med forskellige stimulationsparametre. Efterfølgende vil nervebilleddannelse (EIT) blive udført på lignende måde med strøm indsprøjtet gennem forskellige elektrodepar, men denne gang vil andre elektroder på manchetten blive brugt til at registrere elektriske egenskaber, specifikt impedans, fra nerven. Dette vil også foregå i cirka 28 minutter. Manchetten vil blive fjernet af kirurgen i slutningen af ​​protokollen, og operationen vil blive fuldført som sædvanlig for standardimplantationsoperationen. Dette vil fuldende inddragelsen af ​​patienten i denne undersøgelse. Alle målinger og optagelser vil blive analyseret på et senere tidspunkt af forskerne i deres laboratorium og kontor, for at få information om selektiv vagusnervestimulering og danne billeder af aktiviteten i nerven og niveauet af manchetimplantation.