Elektrische Impedanztomographie und selektive Stimulation des Vagusnervs (EITsVNS)

Elektroceuticals sind ein relativ neues Gebiet, in dem es das Ziel ist, eine Vielzahl medizinischer Erkrankungen mit elektrischer Stimulation autonomer Nerven zu behandeln. Ein vorrangiges Angriffsziel ist der zervikale Vagusnerv, da er chirurgisch leicht zugänglich ist und viele Organe im Hals-, Brust- und Bauchbereich versorgt. Wünschenswert wäre eine gezielte Stimulation, um die derzeit auftretenden Off-Target-Effekte zu vermeiden. Bis vor kurzem wurde dies in der Vergangenheit nicht versucht, sowohl aufgrund von Einschränkungen in der verfügbaren Technologie als auch, weil überraschenderweise die faszikuläre Organisation des zervikalen Vagusnervs fast vollständig unbekannt ist; Arbeiten wurden kürzlich in Tiermodellen durchgeführt. Ziel dieser Forschung ist es, die funktionelle Anatomie von Faszikeln (Gruppen von Nervenfasern) im zervikalen Vagusnerv des Menschen zu untersuchen. Dazu gehört die Bestimmung der Innervation von Herz, Lunge und rezidivierendem Kehlkopf sowie, wenn möglich, von Speiseröhre, Magen, Bauchspeicheldrüse, Leber und Magen-Darm-Trakt. Nachdem die spezifischen Stellen der obigen Gruppen identifiziert wurden, ist es möglich, die Stimulation so zu lenken, dass nur spezifische Organe von der Vagusnervstimulation betroffen sind. Insbesondere kann es möglich sein, eine therapeutische anfallsunterdrückende Wirkung bei Epilepsie mit besserer Wirksamkeit zu erzielen und gleichzeitig alle normalerweise vorhandenen Nebenwirkungen zu vermeiden, da alle Organfunktionen verändert werden, wenn der gesamte Nerv stimuliert wird.

Unsere Gruppe hat Pionierarbeit bei der Verwendung einer Mehrzweck-Nervenmanschette zur Abbildung der Aktivität innerhalb von Nerven mit elektrischer Impedanztomographie (EIT) und mit der Fähigkeit zur räumlich selektiven Neuromodulation geleistet. Es wurde für den Einsatz in vivo in Tiermodellen optimiert und validiert.

Die Vagusnervstimulation (VNS) wird derzeit beim Menschen zur Behandlung von arzneimittelresistenter Epilepsie und Depression durchgeführt. VNS als therapeutische Intervention kann jedoch auf eine breite Palette therapeutischer Anwendungen ausgeweitet werden. Laufende Studien und präklinische Forschung weisen auf vielversprechende Ergebnisse bei der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Herzinsuffizienz, Lungenverletzungen, Asthma, Sepsis, rheumatoider Arthritis, Diabetes, Fettleibigkeit, Schmerzmanagement und der Ausrichtung auf den entzündungshemmenden Weg im Allgemeinen hin. Darüber hinaus könnte die selektive Neuromodulation als therapeutischer Ansatz zur Behandlung des akuten Atemnotsyndroms verwendet werden, das derzeit während der Covid-19-Pandemie vorherrscht und die Aktivierung einiger Signalwege (cholinerger entzündungshemmender Signalweg) und nicht anderer (Lungenfunktion) erfordert ), um die Ergebnisse effektiv zu verbessern.

Trotz des enormen Potenzials von VNS bei der Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten bestehen noch Einschränkungen. Ohne Kenntnis der Neuroanatomie des Zielnervs überwiegen Nebenwirkungen und verringern die Wirksamkeit der Behandlung. Ein Großteil der häufig auftretenden Nebenwirkungen wie Husten, Atemnot und Heiserkeit ist auf die Aktivierung der rekurrenten Nervenfasern im Vagusnerv zurückzuführen. Allein die Vermeidung des vagalen Abflusses in den Kehlkopf könnte das VNS stark verbessern und die so oft beobachteten Nebenwirkungen verringern. Die Kenntnis der Innervation aus allen Regionen innerhalb des zervikalen Vagusnervs könnte jedoch die gezielte Stimulation und therapeutische Wirksamkeit weiter verbessern; Vermeidung unerwünschter Reaktionen in nicht betroffenen Organen wie Kurzatmigkeit und Bradykardie und könnte das Risiko weiterer, langfristiger Nebenwirkungen verringern, wie z. B. die Entwicklung einer Hyperglykämie bei der Stimulation einer Epilepsie.

EIT und selektive Stimulation des menschlichen Vagusnervs versprechen, Informationen über die faszikuläre Organisation des Nervs zu liefern, die eine gezielte Neuromodulation während der Behandlung von Epilepsie, Depression und anderen Erkrankungen ohne wahllosen Vagusabfluss ermöglichen und dadurch die derzeit erlebten Off-Target-Effekte vermeiden würden. Die Wirksamkeit und therapeutischen Ergebnisse von VNS werden verbessert. Es erfordert die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Biomedizinern, Elektronikern und Mathematikern und ist für diejenigen interessant, die an interdisziplinärer Arbeit in diesen Bereichen interessiert sind.

Während der routinemäßigen Implantation eines Vagusnervstimulators legt der operierende Chirurg eine temporäre Elektrodenmanschette nur für den Zweck dieser Studie an, nachdem er Zugang zum Vagusnerv erhalten hat. Diese Manschette wird nach Abschluss des Protokolls während derselben Operation entfernt und die Operation wie gewohnt abgeschlossen. Diese Manschette ist für den einmaligen Gebrauch bestimmt und besteht aus sterilisiertem Platin und medizinischem Silikon – eine Schicht aus Platin, die Spuren und ringförmig angeordnete Elektroden enthält, ist zwischen zwei Schichten aus medizinischem Silikon eingeschlossen. Um sicherzustellen, dass die Manschette Kontakt mit dem Nerv hat, wird nach Ermessen des Chirurgen eine medizinische Silikonstütze in Form eines Schlauchs mit einer Öffnung oder biokompatible Klemmen verwendet, die an den Öffnungsenden der Manschette befestigt sind. Ein Ende der Manschette hat einen Anschluss, der zu einem elektronischen Gerät führt, das für die Stimulationen und Aufzeichnungen verwendet wird. Während sich der Patient noch seiner routinemäßigen Implantationsoperation unterzieht, finden sowohl selektive Stimulation als auch EIT-Aufzeichnungen (Bildgebung) statt. Zwischen einem an der Manschette vorhandenen Elektrodenpaar wird ein elektrischer Strom geleitet, und der Vorgang wird für verschiedene Paare wiederholt, während physiologische Parameter (EKG (Aufzeichnung der Herzaktivität), Atmung, Elektrogastrogramm) aufgezeichnet werden, um nach physiologischen Veränderungen zu suchen. Parameter wie Strom, Impulsbreite und Frequenz werden angepasst, um Reaktionen im Nerv durch verschiedene Nervenfasertypen hervorzurufen. Die Stimulation wird ungefähr bis zu 28 Minuten lang durchgeführt (10 bis 30 Sekunden pro Paar mit Wartezeit dazwischen, um zur Grundlinie zurückzukehren). Dies kann mit unterschiedlichen Stimulationsparametern wiederholt werden. Anschließend wird auf ähnliche Weise eine Nervenbildgebung (EIT) durchgeführt, bei der Strom durch verschiedene Elektrodenpaare injiziert wird; diesmal werden jedoch andere Elektroden an der Manschette verwendet, um die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Impedanz, des Nervs aufzuzeichnen. Dies wird ebenfalls für ungefähr 28 Minuten stattfinden. Die Manschette wird am Ende des Protokolls vom Chirurgen entfernt und die Operation wird wie bei einer Standard-Implantationsoperation üblich abgeschlossen. Damit wird die Einbeziehung des Patienten in diese Studie abgeschlossen. Alle Messungen und Aufzeichnungen werden zu einem späteren Zeitpunkt von den Forschern in ihrem Labor und Büro analysiert, um Informationen über die selektive Vagusnervstimulation zu erhalten und Bilder der Aktivität innerhalb des Nervs und der Höhe der Manschettenimplantation zu erstellen.