神経移植中の赤外線神経刺激の臨床的安全性と有効性

広範囲の外科的処置には、神経および神経構造の位置の特定と識別が含まれます。 腕神経叢再建のような場合、外科医は移植のために特定の神経束を特定する必要があります。 後根の根茎切開術のような他のケースでは、外科医は切断のために過活動神経細根を特定する必要があります。 神経を正確に識別して局在化する能力は、法医学訴訟の費用のかかる原因となる可能性のある意図しない有害な結果を回避する上で重要です。 外科医は通常、解剖学的知識と手術野の視覚化に依存して、神経を特定して位置を特定します。 しかし、神経の分布は人によって異なり、解剖学的アトラスから逸脱することがよくあります。 この患者間の変動を考慮して、外科医は電気刺激 (ES) 法を利用して、術中に神経と神経束を特定し、位置を特定します。 ES の後、外科医は、刺激された神経の身元と位置を確認するために、筋電図検査または目に見える筋肉収縮の存在に依存します。 ただし、ES には固有の物理的な制限があります。 電流が周囲の組織に分散する電流拡散は、長い間 ES 法を悩ませてきました。 電流の広がりの結果として、電気刺激は刺激プローブとの接触点を超えて広がり、隣接する神経束を活性化します。 その結果、ES の貧弱な刺激焦点は、小さな神経標的をターゲットにしたり、刺激電極と直接接触している神経構造を正確に監視したりするための非理想的な手段になります。 臨床処置では、遠隔の神経組織または複数の神経構造の活性化により、外科医の間で懸念を引き起こす特定の神経構造のアイデンティティと位置に関して曖昧さと不確実性が生じる可能性があります。 したがって、手術中の神経の局在化および識別を改善するために、より高度な空間選択性を備えた神経刺激技術が必要とされています。

赤外線神経刺激 (INS) は、赤外線の低エネルギー パルスで神経組織を励起するために使用されるラベルフリーの光学的方法です。 光神経刺激技術として、INS は組織との直接接触を必要とせずに高度な空間特異性を備えています (図 1)。 私たちのグループは、in vivo でラット、非ヒト霊長類、およびヒトの個々の神経束を活性化する INS の空間的特異性を繰り返し実証してきました。 私たちのグループからの最初の調査結果は、神経モニタリングや心臓ペーシングなどの他の臨床アプリケーションに INS の空間選択性を活用するように他のグループを導きました。 INS の固有の空間精度は、その基になる生物物理学的メカニズムの直接的な結果です。 神経組織への赤外光の沈着は、膜静電容量の熱誘導変化によって細胞膜を脱分極させる一時的な熱勾配を引き起こします。 赤外線パルスからの熱エネルギーは、レーザースポットサイズと組織への光の浸透深さによって決定される照射量に空間的に制限されます。 私たちのグループと他のグループは、INSが損傷を与えることなく安全かつ確実に神経を興奮させることができることを組織学的に証明しました. ES の従来の手段に勝るこれらの利点を考慮すると、研究者は、INS は、特に限定された神経刺激が必要な外科的症例において実行可能な代替刺激技術であると考えています。 この提案の目標は、INS の固有の強みを活用し、神経の識別と局在化のために空間的に正確な神経刺激が必要な上肢手術に適用することです。 この研究は、私たちのグループの以前の臨床研究に基づいて構築され、臨床神経刺激方法への貴重な追加として INS をさらに確立します。

この提案の目的は 2 つあります: 上肢の空間選択的神経刺激に対する INS の有効性を実証し、人間の患者でダイオード レーザー システムを使用して INS の組織学的安全性を判断することです。 そのために、治験責任医師は、腕神経叢再建術（BPR）および神経移植手術を受けている患者を募集します。これにより、INS の有効性と空間選択性の両方を実証でき、患者のケアや回復の質を損なうことなく組織学的サンプルを取得できます。 これらの目的を達成するために、研究者は次の目的を提案します。

目的 1: ダイオード ベースの INS システム用の臨床用光ファイバー プローブの設計と製造 既存のダイオード レーザーを使用して、研究者は INS 光ファイバー プローブを構築することにより、臨床用ダイオード レーザー INS システムを作成します。 光ファイバー プローブは、当社のダイオード レーザーから光を収集し、その光を神経に伝達するように設計および特徴付けられます。 プローブは滅菌可能で、人間工学に基づいた操作が可能で、関連する波長で透過性があり、一貫した刺激パラメーターを提供します。 プローブの設計は、既存の臨床 ES プローブに基づいており、外科医のフィードバックに基づいて修正されます。

目的 2: 神経伝達症例における INS の有効性を実証する高価な臨床レーザーを使用した INS は、神経刺激の有効な手段であることが示されていますが、ダイオード レーザーを使用した INS は、人間の患者ではまだ実証されていません。 ここでは、研究者は刺激のしきい値を決定するシミュレーション パラメーター (パルス幅、スポット サイズ、単位面積あたりのエネルギーなど) の範囲にわたって転送または移植のために識別された神経を刺激します。 機能的に不要になった神経の部分のみが光学的に刺激されます。 成功した INS イベントは、視覚的な筋肉の収縮によって決定されます。 刺激閾値は、データを累積分布関数に当てはめることによって決定されます。

目的 3: ダイオード ベースの INS システムの組織学的安全性を判断する 目的 2 と併せて、神経の刺激部位を採取し、INS による損傷の証拠を組織学的に調べます。 刺激部位は、組織色素でマークされ、組織学的準備のために切除されます。 組織色素に関して、研究外科医は無菌の外科用マーキングペンを使用して刺激部位をマークします。 これらの滅菌外科用マーキング ペンは、生体内で組織に印を付けるために使用することを意図しています。 無菌外科用マーキング ペンは、手術中に組織に印を付けるために定期的なケアで定期的に使用されます。 無菌の外科用マーキングペンで刺激部位をマークする研究参加者に追加のリスクはありません。 滅菌外科用マーキング ペンでマークされる刺激部位 (神経セグメント) は、組織学的準備のために切除されます。

サンプルを固定してスライスしたら、トルイジン ブルーおよび/またはルクソール ファスト ブルー - 過ヨウ素酸シッフ染色で染色し、画像化します。 画像化されたスライドは、他の基準の中でも、ミエリン破壊、コラーゲンのヒアリン化、および炭化の証拠について検査されます。 神経自体に関する損傷の重症度と深さに基づいて、組織学的損傷の等級付けスキームも開発されます。 損傷閾値は、プロビット分析を使用して同様に決定され、安全域を決定するために刺激閾値と比較されます。

INS は、クリニックで貴重な神経刺激技術として役立つ可能性があります。 高度な空間選択性により、INS は現在の電気的刺激方法を改善することができます。これは、電流の広がりにより複数の神経または線維束を一度に興奮させることができるため、神経識別手順中の不確実性を減らすことができます。 INS は人間にうまく安全に利用されていますが、費用対効果の高いレーザー ダイオード システムはまだ評価されていません。 この提案により、有効性と安全性の両方の観点から、ダイオードベースの臨床 INS システムの開発とテストが可能になります。 この提案は、INS とそのアプリケーションの臨床面と技術面の両方で独自の専門知識を持つ研究者の補完的なチームを結集します。 BPR および神経伝達ケースでの INS の利用により、人間のダイオードベースの INS の刺激と安全しきい値を決定できるようになり、空間特異性の改善が非常に有利な他の手順でこの手法を採用する道が開かれます。 INS の使用を上肢の症例に拡張することにより、この技術は、刺激を利用して特定の神経および神経束を識別する手術の標準治療に大きな影響を与える可能性があります。