Seguridad clínica y eficacia de la estimulación neural infrarroja durante las transferencias nerviosas

Una amplia gama de procedimientos quirúrgicos involucran la localización e identificación de nervios y estructuras neurales. En casos como la reconstrucción del plexo braquial, el cirujano necesita identificar fascículos nerviosos específicos para el injerto. Mientras que en otros casos, como las rizotomías de la raíz dorsal, el cirujano debe identificar las raicillas nerviosas hiperactivas para la sección transversal. La capacidad de identificar y localizar con precisión los nervios es fundamental para evitar consecuencias no intencionales y perjudiciales que pueden ser una fuente costosa de litigios médicolegales. Los cirujanos normalmente dependen de su conocimiento anatómico y visualización del campo quirúrgico para identificar y localizar los nervios. La distribución de los nervios, sin embargo, varía de una persona a otra, a menudo desviándose de los atlas anatómicos. Para tener en cuenta esta variabilidad entre pacientes, los cirujanos también utilizan métodos de estimulación eléctrica (ES) para identificar y localizar nervios y fascículos nerviosos durante la operación. Después de la EE, los cirujanos confían en la electromiografía o en la presencia de contracciones musculares visibles para confirmar la identidad y ubicación del nervio estimulado. ES, sin embargo, está limitado por limitaciones físicas inherentes. La propagación de corriente, en la que la corriente eléctrica se dispersa en el tejido circundante, ha afectado durante mucho tiempo a los métodos de ES. Como resultado de la propagación de la corriente, el estímulo eléctrico se extenderá más allá del punto de contacto con la sonda de estimulación activando los fascículos nerviosos adyacentes. En consecuencia, la escasa focalidad de la estimulación de la ES la convierte en un medio no ideal para apuntar a pequeños objetivos neuronales o para monitorear con precisión las estructuras neuronales en contacto inmediato con el electrodo de estimulación. En los procedimientos clínicos, la activación de tejido neural distante o múltiples estructuras neurales puede generar ambigüedad e incertidumbre en cuanto a la identidad y ubicación de estructuras neurales específicas que causan preocupación entre los cirujanos. Por tanto, existe la necesidad de una técnica de estimulación neural con un mayor grado de selectividad espacial para mejorar la localización e identificación de los nervios durante la cirugía.

La estimulación neural infrarroja (INS) es un método óptico sin etiquetas que se utiliza para excitar el tejido neural con pulsos de luz infrarroja de baja energía. Como técnica de neuroestimulación óptica, la INS posee un alto grado de especificidad espacial sin necesidad de contacto directo con el tejido (Figura 1). Nuestro grupo ha demostrado repetidamente la especificidad espacial del INS para activar fascículos nerviosos individuales en ratas, primates no humanos y humanos in vivo. Los hallazgos iniciales de nuestro grupo también han llevado a otros grupos a aprovechar la selectividad espacial del INS para otras aplicaciones clínicas, como la monitorización nerviosa y la estimulación cardíaca. La precisión espacial inherente del INS es un resultado directo de su mecanismo biofísico subyacente. El depósito de luz infrarroja en el tejido neural provoca un gradiente térmico transitorio que despolariza la membrana celular a través de un cambio inducido térmicamente en la capacitancia de la membrana. La energía térmica de los pulsos infrarrojos se limita espacialmente al volumen irradiado según lo determinado por el tamaño del punto láser y la profundidad de penetración de la luz en el tejido. Nuestro grupo, al igual que otros, ha demostrado histológicamente que el INS puede excitar los nervios de manera segura y confiable sin infligir daño. Dadas estas ventajas sobre los medios tradicionales de ES, los investigadores creen que la INS es una técnica de estimulación alternativa viable, especialmente en casos quirúrgicos donde existe la necesidad de neuroestimulación confinada. El objetivo de esta propuesta es aprovechar las fortalezas intrínsecas del INS y aplicarlas a las cirugías de las extremidades superiores donde se necesita una neuroestimulación espacialmente precisa para la identificación y localización de los nervios. Este estudio se basará en el trabajo clínico previo de nuestro grupo y establecerá aún más al INS como una valiosa adición a los métodos de neuroestimulación clínica.

El objetivo de esta propuesta es doble: demostrar la eficacia de INS para la estimulación nerviosa espacialmente selectiva en la extremidad superior y determinar la seguridad histológica de INS utilizando sistemas de láser de diodo en pacientes humanos. Para hacerlo, los investigadores reclutarán pacientes que se sometan a cirugías de reconstrucción del plexo braquial (BPR) y de transferencia nerviosa en las que se pueda demostrar tanto la efectividad como la selectividad espacial del INS y se puedan obtener muestras histológicas sin detrimento de la calidad de la atención o la recuperación de los pacientes. Para lograr estos objetivos, los investigadores se proponen las siguientes metas:

Objetivo 1: Diseñar y fabricar una sonda de fibra óptica clínica para un sistema INS basado en diodos Utilizando nuestros láseres de diodo existentes, los investigadores crearán un sistema INS de láser de diodo clínico mediante la construcción de sondas de fibra óptica INS. Las sondas de fibra óptica se diseñarán y caracterizarán para recoger la luz de nuestros láseres de diodo y enviar esa luz al nervio. Las sondas serán esterilizables, ergonómicas y maniobrables, transmisivas en las longitudes de onda relevantes y proporcionarán parámetros de estimulación consistentes. El diseño de la sonda se basará en las sondas ES clínicas existentes y se modificará según los comentarios del cirujano.

Objetivo 2: Demostrar la eficacia del INS en casos de transferencia de nervios Mientras que el INS con láseres clínicos costosos ha demostrado ser un medio eficaz de estimulación nerviosa, el INS con láseres de diodo aún no se ha demostrado en pacientes humanos. Aquí, el investigador estimulará los nervios identificados para transferencia o injerto en una variedad de parámetros de simulación (ancho de pulso, tamaño de punto, energía por unidad de área, etc.) para determinar el umbral de estimulación. Solo las porciones del nervio que ya no se requieren funcionalmente se estimularán ópticamente. Los eventos INS exitosos estarán determinados por las contracciones musculares visuales. Los umbrales de estimulación se determinarán ajustando los datos a una función de distribución acumulativa.

Objetivo 3: Determinar la seguridad histológica del sistema INS basado en diodos Junto con el Objetivo 2, se recolectarán los sitios de estimulación en el nervio y se examinarán histológicamente en busca de evidencia de daño inducido por INS. Los sitios de estimulación se marcarán con un tinte tisular y se extirparán para la preparación histológica. Con respecto al tinte tisular, el cirujano del estudio utilizará un rotulador quirúrgico estéril para marcar el sitio de estimulación. Estos rotuladores quirúrgicos estériles están destinados a utilizarse in vivo para marcar tejido. Los rotuladores quirúrgicos estériles se utilizan regularmente en la atención de rutina para marcar el tejido durante la operación. No hay riesgo adicional para los participantes del estudio a quienes se les marcará el sitio de estimulación con un rotulador quirúrgico estéril. El sitio de estimulación (segmento nervioso) que se marcará con el rotulador quirúrgico estéril se extirpará para la preparación histológica.

Una vez que las muestras se fijan y se cortan, se tiñen con azul de toluidina y/o tinciones de Schiff con ácido peryódico azul rápido Luxol y se toman imágenes. Los portaobjetos con imágenes se examinarán en busca de evidencia de alteración de la mielina, hialinización del colágeno y carbonización, entre otros criterios. También se desarrollará un esquema de clasificación de daño histológico basado en la gravedad y profundidad del daño con respecto al nervio mismo. Los umbrales de daño se determinarán de manera similar mediante el análisis Probit y se compararán con el umbral de estimulación para determinar el margen de seguridad.

INS tiene el potencial de servir como una valiosa técnica de estimulación neural en la clínica. Debido a su alto grado de selectividad espacial, el INS podría mejorar los métodos eléctricos actuales de estimulación que pueden excitar varios nervios o fascículos a la vez debido a la propagación de la corriente y, por lo tanto, reducir la incertidumbre durante los procedimientos de identificación de nervios. Si bien el INS se ha utilizado con éxito y seguridad en humanos, aún no se han evaluado los sistemas rentables de diodos láser. Esta propuesta permitirá el desarrollo y la prueba de un sistema clínico INS basado en diodos en términos de eficacia y seguridad. Esta propuesta reúne a un equipo complementario de investigadores con experiencia única en los aspectos clínicos y técnicos del INS y sus aplicaciones. La utilización de INS en BPR y casos de transferencia nerviosa nos permitirá determinar los umbrales de estimulación y seguridad de INS basados ​​en diodos en humanos y allanará el camino para que esta técnica se emplee en otros procedimientos donde la especificidad espacial mejorada es muy ventajosa. Al extender el uso de INS a casos de miembros superiores, esta técnica podría tener un impacto significativo en el estándar de atención en cirugías que utilizan estimulación para identificar nervios y fascículos nerviosos específicos.