Sicurezza clinica ed efficacia della stimolazione neurale a infrarossi durante i trasferimenti nervosi

Un'ampia gamma di procedure chirurgiche comporta la localizzazione e l'identificazione di nervi e strutture neurali. In casi come la ricostruzione del plesso brachiale, il chirurgo deve identificare fasci nervosi specifici per l'innesto. Mentre in altri casi come le rizotomie della radice dorsale, il chirurgo deve identificare le radichette nervose iperattive per la transezione. La capacità di identificare e localizzare accuratamente i nervi è fondamentale per evitare conseguenze involontarie e dannose che possono essere fonte costosa di contenzioso medico-legale. I chirurghi dipendono comunemente dalla loro conoscenza anatomica e dalla visualizzazione del campo chirurgico per identificare e localizzare i nervi. La distribuzione dei nervi, tuttavia, varia da persona a persona, spesso deviando dagli atlanti anatomici. Per tenere conto di questa variabilità interpaziente, i chirurghi utilizzano anche metodi di stimolazione elettrica (ES) per identificare e localizzare i nervi e i fasci nervosi durante l'intervento. Dopo ES, i chirurghi si affidano all'elettromiografia o alla presenza di contrazioni muscolari visibili per confermare l'identità e la posizione del nervo stimolato. ES, tuttavia, è vincolato da limitazioni fisiche intrinseche. La diffusione della corrente, in cui la corrente elettrica si disperde nel tessuto circostante, ha a lungo afflitto i metodi ES. Come risultato della diffusione della corrente, lo stimolo elettrico si estenderà oltre il punto di contatto con la sonda di stimolazione attivando i fasci nervosi adiacenti. Di conseguenza, la scarsa focalità della stimolazione di ES lo rende un mezzo non ideale per mirare a piccoli bersagli neurali o per monitorare con precisione le strutture neurali a contatto immediato con l'elettrodo di stimolazione. Nelle procedure cliniche, l'attivazione di tessuto neurale distante o strutture neurali multiple può introdurre ambiguità e incertezza sull'identità e la posizione di specifiche strutture neurali che causano preoccupazione tra i chirurghi. Pertanto, vi è la necessità di una tecnica di stimolazione neurale con un grado più elevato di selettività spaziale per migliorare la localizzazione e l'identificazione dei nervi durante l'intervento chirurgico.

La stimolazione neurale a infrarossi (INS) è un metodo ottico privo di etichette utilizzato per eccitare il tessuto neurale con impulsi a bassa energia di luce infrarossa. Come tecnica di neurostimolazione ottica, INS possiede un alto grado di specificità spaziale senza la necessità di un contatto diretto con il tessuto (Figura 1). Il nostro gruppo ha ripetutamente dimostrato la specificità spaziale dell'INS per attivare i singoli fasci nervosi nei ratti, nei primati non umani e nell'uomo in vivo. I risultati iniziali del nostro gruppo hanno anche portato altri gruppi a sfruttare la selettività spaziale dell'INS per altre applicazioni cliniche come il monitoraggio dei nervi e la stimolazione cardiaca. La precisione spaziale intrinseca di INS è un risultato diretto del suo meccanismo biofisico sottostante. La deposizione di luce infrarossa nel tessuto neurale provoca un gradiente termico transitorio che depolarizza la membrana cellulare attraverso un cambiamento indotto termicamente nella capacità della membrana. L'energia termica degli impulsi infrarossi è confinata spazialmente al volume irradiato come determinato dalla dimensione del punto laser e dalla profondità di penetrazione della luce nel tessuto. Il nostro gruppo e altri hanno dimostrato istologicamente che l'INS può eccitare i nervi in ​​modo sicuro e affidabile senza infliggere danni. Dati questi vantaggi rispetto ai mezzi tradizionali di ES, i ricercatori ritengono che l'INS sia una valida tecnica di stimolazione alternativa, specialmente nei casi chirurgici in cui è necessaria una neurostimolazione confinata. L'obiettivo di questa proposta è sfruttare i punti di forza intrinseci di INS e applicarli agli interventi chirurgici degli arti superiori in cui è necessaria una neurostimolazione spazialmente precisa per l'identificazione e la localizzazione dei nervi. Questo studio si baserà sul precedente lavoro clinico del nostro gruppo e stabilirà ulteriormente l'INS come una preziosa aggiunta ai metodi di neurostimolazione clinica.

L'obiettivo di questa proposta è duplice: dimostrare l'efficacia dell'INS per la stimolazione nervosa spazialmente selettiva nell'arto superiore e determinare la sicurezza istologica dell'INS utilizzando sistemi laser a diodi in pazienti umani. Per fare ciò, i ricercatori recluteranno pazienti sottoposti a ricostruzione del plesso brachiale (BPR) e interventi chirurgici di trasferimento dei nervi in ​​​​cui sia l'efficacia che la selettività spaziale dell'INS possono essere dimostrate e campioni istologici possono essere ottenuti senza pregiudicare la qualità delle cure o il recupero dei pazienti. Per raggiungere questi obiettivi, gli investigatori propongono i seguenti obiettivi:

Obiettivo 1: Progettare e fabbricare una sonda a fibre ottiche clinica per un sistema INS basato su diodi Utilizzando i nostri laser a diodi esistenti, i ricercatori creeranno un sistema INS laser a diodi clinico costruendo sonde a fibre ottiche INS. Le sonde a fibre ottiche saranno progettate e caratterizzate per raccogliere la luce dai nostri laser a diodi e fornire quella luce al nervo. Le sonde saranno sterilizzabili, ergonomiche e manovrabili, trasmissive alle relative lunghezze d'onda e forniranno parametri di stimolazione coerenti. Il design della sonda sarà basato su sonde ES cliniche esistenti e modificato in base al feedback del chirurgo.

Obiettivo 2: Dimostrare l'efficacia dell'INS nei casi di trasferimento nervoso Mentre l'INS con costosi laser clinici ha dimostrato di essere un mezzo efficace di stimolazione nervosa, l'INS con laser a diodi deve ancora essere dimostrato nei pazienti umani. Qui, l'investigatore stimolerà i nervi identificati per il trasferimento o l'innesto su una gamma di parametri di simulazione (ampiezza dell'impulso, dimensione del punto, energia per unità di area, ecc.) Per determinare la soglia di stimolazione. Solo le porzioni del nervo che non sono più necessarie dal punto di vista funzionale saranno stimolate otticamente. Gli eventi INS di successo saranno determinati dalle contrazioni muscolari visive. Le soglie di stimolazione saranno determinate adattando i dati a una funzione di distribuzione cumulativa.

Obiettivo 3: Determinare la sicurezza istologica del sistema INS basato su diodi In concomitanza con l'obiettivo 2, i siti di stimolazione sul nervo saranno raccolti ed esaminati istologicamente per l'evidenza del danno indotto dall'INS. I siti di stimolazione saranno contrassegnati con un colorante per tessuti e asportati per la preparazione istologica. Per quanto riguarda il colorante tissutale, il chirurgo dello studio utilizzerà un pennarello chirurgico sterile per contrassegnare il sito di stimolazione. Questi pennarelli chirurgici sterili sono pensati per essere utilizzati in vivo per contrassegnare i tessuti. I pennarelli chirurgici sterili vengono utilizzati regolarmente nella cura di routine per contrassegnare il tessuto durante l'intervento. Non vi è alcun rischio aggiuntivo per studiare i partecipanti che avranno il loro sito di stimolazione contrassegnato con un pennarello chirurgico sterile. Il sito di stimolazione (segmento nervoso) che verrà contrassegnato con il pennarello chirurgico sterile verrà asportato per la preparazione istologica.

Una volta che i campioni sono stati fissati e tagliati, saranno colorati con blu di toluidina e/o Luxol fast blue-colorazione di Schiff con acido periodico e sottoposti a imaging. I vetrini sottoposti a imaging saranno esaminati per evidenziare, tra gli altri criteri, la rottura della mielina, la ialinizzazione del collagene e la carbonizzazione. Sarà inoltre sviluppato uno schema istologico di classificazione del danno in base alla gravità e alla profondità del danno rispetto al nervo stesso. Allo stesso modo, le soglie di danno saranno determinate utilizzando l'analisi Probit e confrontate con la soglia di stimolazione per determinare il margine di sicurezza.

INS ha il potenziale per servire come preziosa tecnica di stimolazione neurale nella clinica. A causa del suo alto grado di selettività spaziale, l'INS potrebbe migliorare gli attuali metodi elettrici di stimolazione che possono eccitare più nervi o fasci contemporaneamente a causa della diffusione della corrente e quindi ridurre l'incertezza durante le procedure di identificazione dei nervi. Sebbene l'INS sia stato utilizzato con successo e in sicurezza negli esseri umani, i sistemi a diodi laser convenienti devono ancora essere valutati. Questa proposta consentirà lo sviluppo e la sperimentazione di un sistema INS basato su diodi clinici in termini sia di efficacia che di sicurezza. Questa proposta riunisce un team complementare di ricercatori con competenze uniche sia negli aspetti clinici che tecnici dell'INS e delle sue applicazioni. L'utilizzo di INS nei casi di BPR e trasferimento nervoso ci consentirà di determinare la stimolazione e le soglie di sicurezza dell'INS basato su diodi negli esseri umani aprirà la strada all'impiego di questa tecnica in altre procedure in cui la specificità spaziale migliorata è altamente vantaggiosa. Estendendo l'uso dell'INS ai casi degli arti superiori, questa tecnica potrebbe avere un impatto significativo sullo standard di cura negli interventi chirurgici che utilizzano la stimolazione per identificare specifici nervi e fasci nervosi.