Tomografia ad impedenza elettrica e stimolazione selettiva del nervo vago (EITsVNS)

L'elettroceutica è un campo relativamente nuovo in cui l'obiettivo è trattare un'ampia varietà di malattie mediche con la stimolazione elettrica dei nervi autonomi. Un obiettivo primario per l'intervento è il nervo vago cervicale poiché è facilmente accessibile chirurgicamente e rifornisce molti organi del collo, del torace e dell'addome. Sarebbe auspicabile stimolare in modo selettivo per evitare gli effetti fuori bersaglio che si verificano attualmente. Fino a poco tempo fa, questo non è stato provato in passato, sia per i limiti della tecnologia disponibile ma anche perché, sorprendentemente, l'organizzazione fascicolare del nervo vago cervicale è quasi del tutto sconosciuta; il lavoro è stato recentemente eseguito su modelli animali. Lo scopo di questa ricerca è quello di indagare l'anatomia funzionale dei fascicoli (gruppi di fibre nervose) nel nervo vago cervicale dell'uomo. Ciò includerà la definizione dell'innervazione del cuore, dei polmoni e della laringe ricorrente e, se possibile, dell'esofago, dello stomaco, del pancreas, del fegato e del tratto gastrointestinale. Dopo aver identificato le posizioni specifiche dei suddetti gruppi, sarà possibile dirigere la stimolazione in modo che solo organi specifici siano interessati dalla stimolazione del nervo vago. In particolare, potrebbe essere possibile ottenere un effetto terapeutico soppressivo delle crisi nell'epilessia con maggiore efficacia e, allo stesso tempo, evitare tutti gli effetti collaterali normalmente presenti perché tutte le funzioni dell'organo vengono alterate quando viene stimolato l'intero nervo.

Il nostro gruppo ha aperto la strada all'uso di un polsino nervoso multiuso per l'attività di imaging all'interno dei nervi con la tomografia a impedenza elettrica (EIT) e con la capacità di neuromodulazione spazialmente selettiva. È stato ottimizzato e convalidato per l'uso in vivo in modelli animali.

La stimolazione del nervo vago (VNS) è attualmente eseguita negli esseri umani per il trattamento dell'epilessia e della depressione resistenti ai farmaci. Tuttavia, VNS come intervento terapeutico può essere esteso a una vasta gamma di applicazioni terapeutiche. Gli studi in corso e la ricerca preclinica indicano risultati promettenti nel trattamento di disturbi cardiovascolari e insufficienza cardiaca, lesioni polmonari, asma, sepsi, artrite reumatoide, diabete, obesità, gestione del dolore e mirando al percorso antinfiammatorio in generale. Inoltre, la neuromodulazione selettiva potrebbe essere utilizzata come approccio terapeutico per il trattamento della sindrome da distress respiratorio acuto, predominante attualmente durante la pandemia di Covid-19, che richiede l'attivazione di alcune vie (via antinfiammatoria colinergica) e non di altre (funzione polmonare ) per migliorare efficacemente i risultati.

Anche con il vasto potenziale della VNS nel trattamento di una varietà di malattie, esistono ancora dei limiti. Senza la conoscenza della neuroanatomia del nervo bersaglio, gli effetti collaterali prevalgono e riducono l'efficacia del trattamento. Una grande percentuale di effetti collaterali frequentemente riscontrati, tra cui tosse, dispnea e raucedine, può essere attribuita all'attivazione delle fibre nervose laringee ricorrenti nel nervo vago. Evitare il deflusso vagale alla laringe da solo potrebbe migliorare notevolmente la VNS e ridurre gli effetti collaterali così spesso osservati. Tuttavia, la conoscenza dell'innervazione di tutte le regioni all'interno del nervo vago cervicale potrebbe migliorare ulteriormente la stimolazione mirata e l'efficacia terapeutica; evitando qualsiasi risposta indesiderata in organi non bersaglio come mancanza di respiro e bradicardia e potrebbe ridurre il rischio di ulteriori effetti collaterali a lungo termine, come lo sviluppo di iperglicemia durante la stimolazione per l'epilessia.

L'EIT e la stimolazione selettiva del nervo vago umano promettono di fornire informazioni sull'organizzazione fascicolare del nervo che consentirebbero una neuromodulazione mirata durante il trattamento dell'epilessia, della depressione e di altri disturbi senza deflusso vagale indiscriminato, evitando così gli effetti fuori bersaglio attualmente sperimentati. L'efficacia e gli esiti terapeutici della VNS saranno migliorati. Richiede la collaborazione interdisciplinare di scienziati biomedici, ingegneri elettronici e matematici e detiene un grande interesse per coloro che sono interessati al lavoro interdisciplinare in questi campi.

Durante l'intervento chirurgico di impianto di routine per l'impianto dello stimolatore del nervo vagale, il chirurgo operativo posizionerà un bracciale dell'elettrodo temporaneo solo ai fini di questo studio, dopo aver ottenuto l'accesso al nervo vago. Questo bracciale verrà rimosso durante lo stesso intervento chirurgico dopo che il protocollo è stato completato e l'intervento è stato completato come di consueto. Questo bracciale è monouso, realizzato in platino sterilizzato e silicone per uso medico: uno strato di platino contenente tracce ed elettrodi disposti ad anelli è confinato tra due strati di silicone per uso medico. Per garantire che la cuffia sia a contatto con il nervo, a discrezione del chirurgo verrà utilizzato un supporto in silicone di grado medico, sotto forma di tubo con un'apertura, o morsetti biocompatibili fissati alle estremità di apertura della cuffia. Un'estremità del bracciale ha un connettore che conduce a un dispositivo elettronico utilizzato per le stimolazioni e le registrazioni. Mentre il paziente è ancora sottoposto all'intervento chirurgico di impianto di routine, avranno luogo sia la stimolazione selettiva che le registrazioni EIT (imaging). Una corrente elettrica verrà condotta tra una coppia di elettrodi presenti sul bracciale e il processo verrà ripetuto per coppie diverse durante la registrazione dei parametri fisiologici (ECG (registrazione dell'attività cardiaca), respirazione, elettrogastrogramma) per cercare cambiamenti fisiologici. I parametri, come la corrente, l'ampiezza e la frequenza dell'impulso, saranno regolati per suscitare risposte nel nervo da parte di diversi tipi di fibre nervose. La stimolazione verrà eseguita per circa 28 minuti (da 10 a 30 secondi per coppia con un tempo di attesa intermedio per tornare alla linea di base). Questo può essere ripetuto con diversi parametri di stimolazione. Successivamente, l'imaging del nervo (EIT) verrà eseguito in modo simile con la corrente iniettata attraverso varie coppie di elettrodi; tuttavia, questa volta verranno utilizzati altri elettrodi sul bracciale per registrare le proprietà elettriche, in particolare l'impedenza, dal nervo. Questo avverrà anche per circa 28 minuti. La cuffia verrà rimossa dal chirurgo al termine del protocollo e l'intervento sarà completato come di consueto per l'intervento di impianto standard. Ciò completerà il coinvolgimento del paziente in questo studio. Tutte le misurazioni e le registrazioni saranno analizzate in una fase successiva dai ricercatori nel loro laboratorio e ufficio, per ottenere informazioni sulla stimolazione selettiva del nervo vago e formare immagini dell'attività all'interno del nervo e del livello di impianto della cuffia.