Elektrische impedantietomografie en selectieve stimulatie van de nervus vagus (EITsVNS)

Electroceuticals is een relatief nieuw vakgebied waarin het doel is om een ​​breed scala aan medische ziekten te behandelen met elektrische stimulatie van autonome zenuwen. Een belangrijk doelwit voor interventie is de cervicale nervus vagus, aangezien deze gemakkelijk chirurgisch toegankelijk is en veel organen in de nek, thorax en buik voedt. Het zou wenselijk zijn om selectief te stimuleren om de nu optredende off-target effecten te voorkomen. Tot voor kort is dit in het verleden niet geprobeerd, zowel vanwege beperkingen in de beschikbare technologie, maar ook omdat, verrassend genoeg, de fasciculaire organisatie van de cervicale nervus vagus bijna volledig onbekend is; werk is onlangs uitgevoerd in diermodellen. Het doel van dit onderzoek is het onderzoeken van de functionele anatomie van fascikels (groepen zenuwvezels) in de cervicale nervus vagus bij de mens. Dit omvat het bepalen van de innervatie van het hart, de longen en het recidiverende strottenhoofd en, indien mogelijk, de slokdarm, maag, alvleesklier, lever en het maagdarmkanaal. Nadat de specifieke locaties van bovenstaande groepen zijn geïdentificeerd, is het mogelijk om de stimulatie zo te richten dat alleen specifieke organen worden beïnvloed door de nervus vagusstimulatie. In het bijzonder kan het mogelijk zijn om een ​​therapeutisch aanvalsonderdrukkend effect te bereiken bij epilepsie met een betere werkzaamheid, en tegelijkertijd alle bijwerkingen te vermijden die normaal aanwezig zijn, omdat alle orgaanfuncties worden veranderd wanneer de gehele zenuw wordt gestimuleerd.

Onze groep is een pionier in het gebruik van een multifunctionele zenuwmanchet voor beeldvormingsactiviteit in zenuwen met elektrische impedantietomografie (EIT) en met het vermogen van ruimtelijk-selectieve neuromodulatie. Het is geoptimaliseerd en gevalideerd voor gebruik in vivo in diermodellen.

Vaguszenuwstimulatie (VNS) wordt momenteel bij mensen uitgevoerd voor de behandeling van geneesmiddelresistente epilepsie en depressie. VNS als therapeutische interventie kan echter worden uitgebreid tot een groot aantal therapeutische toepassingen. Lopende studies en preklinisch onderzoek wijzen op veelbelovende resultaten bij de behandeling van cardiovasculaire aandoeningen en hartfalen, longbeschadiging, astma, sepsis, reumatoïde artritis, diabetes, obesitas, pijnbestrijding en het aanpakken van de ontstekingsremmende route in het algemeen. Bovendien zou selectieve neuromodulatie kunnen worden gebruikt als een therapeutische benadering voor de behandeling van acute respiratory distress syndrome, momenteel overheersend tijdens de Covid-19-pandemie, waarvoor de activering van sommige routes (cholinergische anti-inflammatoire route) vereist is en andere niet (longfunctie). ) om resultaten effectief te verbeteren.

Zelfs met het enorme potentieel van VNS bij de behandeling van een verscheidenheid aan ziekten, bestaan ​​er nog steeds beperkingen. Zonder de kennis van de neuroanatomie van de doelzenuw hebben bijwerkingen de overhand en verminderen ze de werkzaamheid van de behandeling. Een groot deel van de vaak ervaren bijwerkingen, waaronder hoesten, dyspnoe en heesheid, kan worden toegeschreven aan activering van de terugkerende larynxvezels in de nervus vagus. Het vermijden van vagale uitstroom naar het strottenhoofd alleen zou VNS aanzienlijk kunnen verbeteren en de zo vaak waargenomen bijwerkingen kunnen verminderen. Kennis van de innervatie van alle regio's binnen de cervicale nervus vagus zou echter de gerichte stimulatie en therapeutische werkzaamheid verder kunnen verbeteren; het vermijden van ongewenste reacties in niet-doelorganen, zoals kortademigheid en bradycardie, en zou het risico op verdere bijwerkingen op de lange termijn kunnen verminderen, zoals het ontwikkelen van hyperglykemie bij stimulatie voor epilepsie.

EIT en selectieve stimulatie van de menselijke nervus vagus belooft informatie te verschaffen over de fasciculaire organisatie van de zenuw, wat gerichte neuromodulatie mogelijk zou maken tijdens de behandeling van epilepsie, depressie en andere aandoeningen zonder willekeurige vagale uitstroom, waardoor off-target effecten die momenteel worden ervaren, worden vermeden. De werkzaamheid en therapeutische resultaten van VNS zullen worden verbeterd. Het vereist interdisciplinaire samenwerking van biomedische wetenschappers, elektronische ingenieurs en wiskundigen, en is van groot belang voor diegenen die geïnteresseerd zijn in interdisciplinair werk op deze gebieden.

Tijdens routinematige implantatiechirurgie van de nervus vagusstimulator zal de opererende chirurg alleen voor dit onderzoek een tijdelijke elektrodemanchet plaatsen nadat hij toegang heeft gekregen tot de nervus vagus. Deze manchet wordt tijdens dezelfde operatie verwijderd nadat het protocol is voltooid en de operatie wordt zoals gewoonlijk voltooid. Deze manchet is ontworpen voor eenmalig gebruik, gemaakt van gesteriliseerd platina en siliconen van medische kwaliteit - een laag platina met sporen en elektroden die in ringen zijn gerangschikt, is ingesloten tussen twee lagen siliconen van medische kwaliteit. Om ervoor te zorgen dat de manchet in contact komt met de zenuw, zal naar goeddunken van de chirurg een medische siliconen ondersteuning worden gebruikt in de vorm van een buis met een opening, of biocompatibele klemmen die aan de uiteinden van de manchet zijn bevestigd. Het ene uiteinde van de manchet heeft een connector die leidt naar een elektronisch apparaat dat wordt gebruikt voor de stimulaties en opnames. Terwijl de patiënt nog steeds onder behandeling is voor hun routinematige implantatieoperatie, zullen zowel selectieve stimulatie als EIT-opnamen (beeldvorming) plaatsvinden. Er wordt een elektrische stroom gestuurd tussen een paar elektroden op de manchet en het proces wordt herhaald voor verschillende paren terwijl fysiologische parameters (ECG (registratie van de hartactiviteit), ademhaling, elektrogastrogram) worden geregistreerd om te zoeken naar fysiologische veranderingen. Parameters, zoals stroom, pulsbreedte en frequentie, zullen worden aangepast om reacties in de zenuw op te wekken door verschillende soorten zenuwvezels. De stimulatie zal ongeveer 28 minuten duren (10 tot 30 seconden per paar met daartussen een wachttijd om terug te keren naar de basislijn). Dit kan worden herhaald met verschillende stimulatieparameters. Vervolgens wordt zenuwbeeldvorming (EIT) op een vergelijkbare manier uitgevoerd met stroom die door verschillende elektrodeparen wordt geïnjecteerd; deze keer zullen echter andere elektroden op de manchet worden gebruikt om elektrische eigenschappen, met name impedantie, van de zenuw vast te leggen. Ook dit duurt ongeveer 28 minuten. De manchet wordt aan het einde van het protocol door de chirurg verwijderd en de operatie wordt zoals gebruikelijk voor de standaard implantatieoperatie voltooid. Hiermee is de betrokkenheid van de patiënt bij dit onderzoek compleet. Alle metingen en opnames zullen in een later stadium door de onderzoekers in hun laboratorium en kantoor worden geanalyseerd om informatie te krijgen over selectieve nervus vagusstimulatie en om beelden te vormen van de activiteit in de zenuw en het niveau van manchetimplantatie.