Sécurité clinique et efficacité de la stimulation neurale infrarouge pendant les transferts nerveux

Un large éventail d'interventions chirurgicales impliquent la localisation et l'identification des nerfs et des structures neurales. Dans des cas comme la reconstruction du plexus brachial, le chirurgien doit identifier des faisceaux nerveux spécifiques pour la greffe. Alors que dans d'autres cas comme les rhizotomies de la racine dorsale, le chirurgien doit identifier les radicelles nerveuses hyperactives pour la transection. La capacité d'identifier et de localiser avec précision les nerfs est essentielle pour éviter les conséquences involontaires et préjudiciables qui peuvent être une source coûteuse de litiges médico-légaux. Les chirurgiens dépendent généralement de leurs connaissances anatomiques et de leur visualisation du champ opératoire pour identifier et localiser les nerfs. La répartition des nerfs varie cependant d'une personne à l'autre, s'écartant souvent des atlas anatomiques. Pour tenir compte de cette variabilité inter-patients, les chirurgiens utilisent également des méthodes de stimulation électrique (ES) pour identifier et localiser les nerfs et les faisceaux nerveux en peropératoire. Après l'ES, les chirurgiens s'appuient sur l'électromyographie ou sur la présence de contractions musculaires visibles pour confirmer l'identité et l'emplacement du nerf stimulé. ES, cependant, est limité par des limitations physiques inhérentes. La propagation du courant, dans laquelle le courant électrique se disperse dans les tissus environnants, a longtemps tourmenté les méthodes ES. En raison de la propagation du courant, le stimulus électrique s'étendra au-delà du point de contact avec la sonde de stimulation activant les faisceaux nerveux adjacents. Par conséquent, la faible focalité de stimulation de l'ES en fait un moyen non idéal pour cibler de petites cibles neuronales ou pour surveiller avec précision les structures neuronales en contact immédiat avec l'électrode de stimulation. Dans les procédures cliniques, l'activation de tissus neuronaux distants ou de plusieurs structures neuronales peut introduire une ambiguïté et une incertitude quant à l'identité et à l'emplacement de structures neuronales spécifiques qui inquiètent les chirurgiens. Ainsi, il existe un besoin pour une technique de stimulation neurale avec un degré plus élevé de sélectivité spatiale pour améliorer la localisation et l'identification des nerfs pendant la chirurgie.

La stimulation neurale infrarouge (INS) est une méthode optique sans étiquette utilisée pour exciter le tissu neural avec des impulsions de lumière infrarouge à faible énergie. En tant que technique de neurostimulation optique, l'INS possède un degré élevé de spécificité spatiale sans avoir besoin d'un contact direct avec le tissu (Figure 1). Notre groupe a démontré à plusieurs reprises la spécificité spatiale de l'INS pour activer les fascicules nerveux individuels chez les rats, les primates non humains et les humains in vivo. Les découvertes initiales de notre groupe ont également conduit d'autres groupes à tirer parti de la sélectivité spatiale de l'INS pour d'autres applications cliniques telles que la surveillance nerveuse et la stimulation cardiaque. La précision spatiale inhérente de l'INS est le résultat direct de son mécanisme biophysique sous-jacent. Le dépôt de lumière infrarouge dans le tissu neural provoque un gradient thermique transitoire qui dépolarise la membrane cellulaire par un changement thermiquement induit de la capacité de la membrane. L'énergie thermique des impulsions infrarouges est confinée dans l'espace au volume irradié tel que déterminé par la taille du point laser et la profondeur de pénétration de la lumière dans les tissus. Notre groupe ainsi que d'autres ont prouvé histologiquement que l'INS peut exciter les nerfs de manière sûre et fiable sans causer de dommages. Compte tenu de ces avantages par rapport aux moyens traditionnels de SE, les enquêteurs pensent que l'INS est une technique de stimulation alternative viable, en particulier dans les cas chirurgicaux où une neurostimulation confinée est nécessaire. L'objectif de cette proposition est de tirer parti des forces intrinsèques de l'INS et de les appliquer aux chirurgies des membres supérieurs où une neurostimulation spatialement précise est nécessaire pour l'identification et la localisation des nerfs. Cette étude s'appuiera sur les travaux cliniques antérieurs de notre groupe et établira davantage l'INS comme un ajout précieux aux méthodes cliniques de neurostimulation.

L'objectif de cette proposition est double : démontrer l'efficacité de l'INS pour la stimulation nerveuse spatialement sélective dans le membre supérieur et déterminer l'innocuité histologique de l'INS à l'aide de systèmes laser à diodes chez des patients humains. Pour ce faire, les chercheurs recruteront des patients subissant une reconstruction du plexus brachial (BPR) et des chirurgies de transfert nerveux où l'efficacité et la sélectivité spatiale de l'INS peuvent être démontrées et des échantillons histologiques peuvent être obtenus sans nuire à la qualité des soins ou à la récupération des patients. Pour atteindre ces objectifs, les enquêteurs proposent les buts suivants :

Objectif 1 : Concevoir et fabriquer une sonde clinique à fibre optique pour un système INS à base de diodes À l'aide de nos lasers à diodes existants, les chercheurs créeront un système clinique INS à diode laser en construisant des sondes à fibres optiques INS. Des sondes à fibres optiques seront conçues et caractérisées pour recueillir la lumière de nos lasers à diode et transmettre cette lumière au nerf. Les sondes seront stérilisables, ergonomiques et maniables, transmissives aux longueurs d'onde pertinentes et fourniront des paramètres de stimulation cohérents. La conception de la sonde sera basée sur les sondes ES cliniques existantes et modifiée en fonction des commentaires des chirurgiens.

Objectif 2 : Démontrer l'efficacité de l'INS dans les cas de transfert nerveux Alors que l'INS avec des lasers cliniques coûteux s'est avéré être un moyen efficace de stimulation nerveuse, l'INS avec des lasers à diodes n'a pas encore été démontré chez des patients humains. Ici, l'investigateur stimulera les nerfs identifiés pour le transfert ou la greffe sur une gamme de paramètres de simulation (largeur d'impulsion, taille du spot, énergie par unité de surface, etc.) pour déterminer le seuil de stimulation. Seules les parties du nerf qui ne sont plus fonctionnellement requises seront stimulées optiquement. Les événements INS réussis seront déterminés par des contractions musculaires visuelles. Les seuils de stimulation seront déterminés en ajustant les données à une fonction de distribution cumulative.

Objectif 3 : Déterminer la sécurité histologique du système INS à base de diodes En conjonction avec l'objectif 2, les sites de stimulation sur le nerf seront récoltés et examinés histologiquement pour détecter des dommages induits par l'INS. Les sites de stimulation seront marqués avec un colorant tissulaire et excisés pour la préparation histologique. En ce qui concerne le colorant tissulaire, le chirurgien de l'étude utilisera un marqueur chirurgical stérile pour marquer le site de stimulation. Ces stylos de marquage chirurgicaux stériles sont destinés à être utilisés in vivo pour marquer les tissus. Les stylos de marquage chirurgicaux stériles sont utilisés régulièrement dans les soins de routine pour marquer les tissus en peropératoire. Il n'y a pas de risque supplémentaire pour les participants à l'étude dont le site de stimulation sera marqué avec un marqueur chirurgical stérile. Le site de stimulation (segment nerveux) qui sera marqué avec le marqueur chirurgical stérile sera excisé pour la préparation histologique.

Une fois les échantillons fixés et tranchés, ils seront colorés avec du bleu de toluidine et/ou des taches de Schiff au bleu de toluidine rapide et à l'acide périodique et imagés. Les lames imagées seront examinées pour détecter des signes de perturbation de la myéline, d'hyalinisation du collagène et de carbonisation, entre autres critères. Un schéma de classement des dommages histologiques sera également développé en fonction de la gravité et de la profondeur des dommages par rapport au nerf lui-même. Les seuils de dommages seront également déterminés à l'aide de l'analyse Probit et comparés au seuil de stimulation pour déterminer la marge de sécurité.

L'INS a le potentiel de servir de technique de stimulation neurale précieuse en clinique. En raison de son haut degré de sélectivité spatiale, l'INS pourrait améliorer les méthodes de stimulation électrique actuelles qui peuvent exciter plusieurs nerfs ou fascicules à la fois en raison de la propagation du courant et donc réduire l'incertitude lors des procédures d'identification des nerfs. Bien que l'INS ait été utilisé avec succès et en toute sécurité chez l'homme, les systèmes de diode laser rentables n'ont pas encore été évalués. Cette proposition permettra de développer et de tester un système INS clinique à base de diodes en termes d'efficacité et de sécurité. Cette proposition rassemble une équipe complémentaire d'investigateurs possédant une expertise unique dans les aspects cliniques et techniques de l'INS et de ses applications. L'utilisation de l'INS dans les cas de BPR et de transfert nerveux nous permettra de déterminer les seuils de stimulation et de sécurité de l'INS à base de diodes chez l'homme ouvrira la voie à l'utilisation de cette technique dans d'autres procédures où une spécificité spatiale améliorée est très avantageuse. En étendant l'utilisation de l'INS aux cas des membres supérieurs, cette technique pourrait avoir un impact significatif sur la norme de soins dans les chirurgies utilisant la stimulation pour identifier des nerfs et des faisceaux nerveux spécifiques.