Klinische veiligheid en werkzaamheid van infrarood neurale stimulatie tijdens zenuwoverdrachten

Een breed scala aan chirurgische procedures omvat het lokaliseren en identificeren van zenuwen en neurale structuren. In gevallen zoals reconstructie van de plexus brachialis, moet de chirurg specifieke zenuwbundels identificeren voor transplantatie. Terwijl in andere gevallen, zoals rugwortelrhizotomieën, de chirurg hyperactieve zenuwwortels moet identificeren voor doorsnijding. Het vermogen om zenuwen nauwkeurig te identificeren en te lokaliseren is van cruciaal belang om onbedoelde en nadelige gevolgen te vermijden die een kostbare bron van medisch-juridische rechtszaken kunnen zijn. Chirurgen zijn gewoonlijk afhankelijk van hun anatomische kennis en visualisatie van het chirurgische veld om zenuwen te identificeren en te lokaliseren. De verdeling van zenuwen verschilt echter van persoon tot persoon en wijkt vaak af van anatomische atlassen. Om rekening te houden met deze variabiliteit tussen patiënten, gebruiken chirurgen ook methoden voor elektrische stimulatie (ES) om zenuwen en zenuwbundels intraoperatief te identificeren en te lokaliseren. Na ES vertrouwen chirurgen op elektromyografie of de aanwezigheid van zichtbare spiercontracties om de identiteit en locatie van de gestimuleerde zenuw te bevestigen. ES wordt echter beperkt door inherente fysieke beperkingen. Stroomverspreiding, waarbij elektrische stroom zich verspreidt in het omliggende weefsel, heeft ES-methoden lange tijd geteisterd. Als gevolg van stroomspreiding zal de elektrische prikkel zich voorbij het contactpunt met de stimulatiesonde uitstrekken en aangrenzende zenuwbundels activeren. Bijgevolg maakt de slechte stimulatiefocus van ES het een niet-ideaal middel om zich op kleine neurale doelen te richten of om neurale structuren in direct contact met de stimulatie-elektrode nauwkeurig te bewaken. Bij klinische procedures kan de activering van neuraal weefsel op afstand of meerdere neurale structuren leiden tot dubbelzinnigheid en onzekerheid met betrekking tot de identiteit en locatie van specifieke neurale structuren, wat chirurgen zorgen baart. Er is dus behoefte aan een neurale stimulatietechniek met een hogere mate van ruimtelijke selectiviteit om zenuwlokalisatie en -identificatie tijdens chirurgie te verbeteren.

Infrarood neurale stimulatie (INS) is een labelvrije optische methode die wordt gebruikt om neuraal weefsel te prikkelen met pulsen van infrarood licht met lage energie. Als optische neurostimulatietechniek bezit INS een hoge mate van ruimtelijke specificiteit zonder direct contact met het weefsel (figuur 1). Onze groep heeft herhaaldelijk de ruimtelijke specificiteit van INS aangetoond om individuele zenuwbundels bij ratten, niet-menselijke primaten en mensen in vivo te activeren. De eerste bevindingen van onze groep hebben er ook toe geleid dat andere groepen gebruik hebben gemaakt van de ruimtelijke selectiviteit van INS voor andere klinische toepassingen, zoals zenuwbewaking en hartstimulatie. De inherente ruimtelijke precisie van INS is een direct gevolg van het onderliggende biofysische mechanisme. De afzetting van infrarood licht in het neurale weefsel veroorzaakt een tijdelijke thermische gradiënt die het celmembraan depolariseert door een thermisch geïnduceerde verandering in membraancapaciteit. De thermische energie van de infraroodpulsen is ruimtelijk beperkt tot het bestraalde volume zoals bepaald door de laservlekgrootte en de penetratiediepte van het licht in het weefsel. Zowel onze groep als anderen hebben histologisch bewezen dat INS veilig en betrouwbaar zenuwen kan prikkelen zonder schade toe te brengen. Gezien deze voordelen ten opzichte van traditionele manieren van ES, geloven de onderzoekers dat INS een levensvatbare alternatieve stimulatietechniek is, vooral in chirurgische gevallen waar er behoefte is aan beperkte neurostimulatie. Het doel van dit voorstel is om te profiteren van de intrinsieke sterke punten van INS en deze toe te passen op operaties aan de bovenste ledematen waar ruimtelijk nauwkeurige neurostimulatie nodig is voor zenuwidentificatie en lokalisatie. Deze studie zal voortbouwen op het eerdere klinische werk van onze groep en INS verder vestigen als een waardevolle aanvulling op klinische neurostimulatiemethoden.

Het doel van dit voorstel is tweeledig: het aantonen van de werkzaamheid van INS voor ruimtelijk selectieve zenuwstimulatie in de bovenste extremiteit en het bepalen van de histologische veiligheid van INS met behulp van diodelasersystemen bij menselijke patiënten. Om dit te doen, zullen de onderzoekers patiënten rekruteren die brachiale plexus-reconstructie (BPR) en zenuwoverdrachtoperaties ondergaan waarbij zowel de effectiviteit als ruimtelijke selectiviteit van INS kan worden aangetoond en histologische monsters kunnen worden verkregen zonder afbreuk te doen aan de kwaliteit van zorg of herstel van de patiënt. Om deze doelstellingen te bereiken stellen de onderzoekers de volgende doelstellingen voor:

Doel 1: Ontwerp en fabriceer een klinische vezeloptische sonde voor een op diodes gebaseerd INS-systeem. Met behulp van onze bestaande diodelasers zullen de onderzoekers een klinisch diodelaser INS-systeem creëren door INS vezeloptische sondes te bouwen. Glasvezelsondes zullen worden ontworpen en gekarakteriseerd om licht van onze diodelasers te verzamelen en dat licht naar de zenuw te sturen. De sondes zijn steriliseerbaar, ergonomisch en manoeuvreerbaar, transmissief op de relevante golflengten en bieden consistente stimulatieparameters. Het ontwerp van de sonde zal gebaseerd zijn op bestaande klinische ES-sondes en aangepast op basis van feedback van de chirurg.

Doel 2: De doeltreffendheid van INS aantonen bij gevallen van zenuwoverdracht Hoewel is aangetoond dat INS met dure klinische lasers een effectief middel is voor zenuwstimulatie, moet INS met diodelasers nog worden aangetoond bij menselijke patiënten. Hier stimuleert de onderzoeker zenuwen die zijn geïdentificeerd voor overdracht of transplantatie over een reeks simulatieparameters (pulsbreedte, vlekgrootte, energie per oppervlakte-eenheid, enz.) om de stimulatiedrempel te bepalen. Alleen delen van de zenuw die niet langer functioneel nodig zijn, worden optisch gestimuleerd. Succesvolle INS-evenementen worden bepaald door visuele spiercontracties. Stimulatiedrempels worden bepaald door de gegevens aan te passen aan een cumulatieve verdelingsfunctie.

Doel 3: Bepaal de histologische veiligheid van het op diodes gebaseerde INS-systeem In combinatie met doel 2 worden stimulatieplaatsen op de zenuw geoogst en histologisch onderzocht op tekenen van door INS veroorzaakte schade. Stimulatieplaatsen worden gemarkeerd met een weefselkleurstof en uitgesneden voor histologische voorbereiding. Met betrekking tot de weefselkleurstof zal de onderzoekschirurg een steriele chirurgische markeerpen gebruiken om de stimulatieplaats te markeren. Deze steriele chirurgische markeerstiften zijn bedoeld om in-vivo te worden gebruikt om weefsel te markeren. De steriele chirurgische markeerpennen worden regelmatig gebruikt in de routinezorg om intraoperatief weefsel te markeren. Er is geen extra risico voor studiedeelnemers die hun stimulatieplaats laten markeren met een steriele chirurgische markeerstift. De stimulatieplaats (zenuwsegment) die wordt gemarkeerd met de steriele chirurgische markeerpen, wordt uitgesneden voor histologische voorbereiding.

Zodra de monsters zijn gefixeerd en in plakjes zijn gesneden, worden ze gekleurd met toluïdineblauw en/of Luxol Fast Blue-Periodic Acid Schiff-kleuringen en afgebeeld. Afgebeelde dia's zullen worden onderzocht op bewijs van onder andere myelineverstoring, hyalinisatie van collageen en verkoling. Er zal ook een histologisch beoordelingsschema voor schade worden ontwikkeld op basis van de ernst en diepte van de schade met betrekking tot de zenuw zelf. Schadedrempels worden op dezelfde manier bepaald met behulp van probitanalyse en vergeleken met de stimulatiedrempel om de veiligheidsmarge te bepalen.

INS heeft het potentieel om te dienen als waardevolle neurale stimulatietechniek in de kliniek. Vanwege de hoge mate van ruimtelijke selectiviteit zou INS de huidige elektrische stimulatiemethoden kunnen verbeteren die meerdere zenuwen of bundels tegelijk kunnen prikkelen als gevolg van stroomspreiding en daardoor de onzekerheid tijdens zenuwidentificatieprocedures verminderen. Hoewel INS met succes en veilig bij mensen is gebruikt, moeten kosteneffectieve laserdiodesystemen nog worden geëvalueerd. Dit voorstel zal de ontwikkeling en het testen van een klinisch op diodes gebaseerd INS-systeem mogelijk maken in termen van zowel werkzaamheid als veiligheid. Dit voorstel brengt een complementair team van onderzoekers samen met unieke expertise in zowel de klinische als de technische aspecten van INS en de toepassingen ervan. Het gebruik van INS in gevallen van BPR en zenuwoverdracht zal ons in staat stellen om de stimulatie- en veiligheidsdrempels van op dioden gebaseerde INS bij mensen te bepalen. Door het gebruik van INS uit te breiden naar gevallen van de bovenste ledematen, zou deze techniek een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de zorgstandaard bij operaties waarbij stimulatie wordt gebruikt om specifieke zenuwen en zenuwbundels te identificeren.