Klinisk sikkerhet og effekt av infrarød nevral stimulering under nerveoverføringer

Et bredt spekter av kirurgiske prosedyrer involverer lokalisering og identifisering av nerver og nevrale strukturer. I tilfeller som brachial plexus rekonstruksjon, må kirurgen identifisere spesifikke nervefascikler for poding. Mens i andre tilfeller som dorsal rot rhizotomies, må kirurgen identifisere hyperaktive nerverotletter for transeksjon. Evnen til nøyaktig å identifisere og lokalisere nerver er avgjørende for å unngå utilsiktede og skadelige konsekvenser som kan være kostbare kilder til medisinsk rettstvist. Kirurger er ofte avhengige av deres anatomiske kunnskap og visualisering av det kirurgiske feltet for å identifisere og lokalisere nerver. Fordelingen av nerver varierer imidlertid fra person til person, ofte avvikende fra anatomiske atlas. For å gjøre rede for denne interpasientvariasjonen, bruker kirurger også metoder for elektrisk stimulering (ES) for å identifisere og lokalisere nerver og nervefascikler intraoperativt. Etter ES stoler kirurger på elektromyografi eller tilstedeværelsen av synlige muskelsammentrekninger for å bekrefte identiteten og plasseringen av den stimulerte nerven. ES er imidlertid begrenset av iboende fysiske begrensninger. Strømspredning, der elektrisk strøm spres i det omkringliggende vevet, har lenge plaget ES-metoder. Som et resultat av strømspredning vil den elektriske stimulus strekke seg utover kontaktpunktet med stimuleringssonden som aktiverer tilstøtende nervefascikler. Følgelig gjør ES' dårlige stimuleringsfokalitet det til et ikke-ideelt middel å målrette mot små nevrale mål eller å nøyaktig overvåke nevrale strukturer i umiddelbar kontakt med stimuleringselektroden. I kliniske prosedyrer kan aktivering av fjernt nevrale vev eller flere nevrale strukturer introdusere tvetydighet og usikkerhet med hensyn til identitet og plassering av spesifikke nevrale strukturer som forårsaker bekymring blant kirurger. Det er således behov for en nevral stimuleringsteknikk med høyere grad av romlig selektivitet for å forbedre nervelokalisering og identifikasjon under operasjonen.

Infrarød nevral stimulering (INS) er en merkefri optisk metode som brukes til å eksitere nevralt vev med lavenergipulser av infrarødt lys. Som en optisk nevrostimuleringsteknikk har INS en høy grad av romlig spesifisitet uten behov for direkte kontakt med vevet (figur 1). Vår gruppe har gjentatte ganger demonstrert den romlige spesifisiteten til INS for å aktivere individuelle nervefascikler hos rotter, ikke-menneskelige primater og mennesker in vivo. De første funnene fra vår gruppe har også ført til at andre grupper har utnyttet den romlige selektiviteten til INS for andre kliniske applikasjoner som nerveovervåking og hjertestimulering. Den iboende romlige presisjonen til INS er et direkte resultat av dens underliggende biofysiske mekanisme. Avsetningen av infrarødt lys i det nevrale vevet forårsaker en forbigående termisk gradient som depolariserer cellemembranen gjennom en termisk indusert endring i membrankapasitans. Den termiske energien fra de infrarøde pulsene er romlig begrenset til det bestrålte volumet som bestemt av laserpunktstørrelsen og penetrasjonsdybden til lyset inn i vevet. Vår gruppe så vel som andre har histologisk bevist at INS trygt og pålitelig kan eksitere nerver uten å påføre skade. Gitt disse fordelene fremfor tradisjonelle metoder for ES, mener etterforskerne INS er en levedyktig alternativ stimuleringsteknikk, spesielt i kirurgiske tilfeller der det er behov for begrenset nevrostimulering. Målet med dette forslaget er å dra nytte av INS' iboende styrker og bruke dem til operasjoner i øvre lemmer der romlig presis nevrostimulering er nødvendig for nerveidentifikasjon og lokalisering. Denne studien vil bygge på vår gruppes tidligere kliniske arbeid og videre etablere INS som et verdifullt tillegg til kliniske nevrostimuleringsmetoder.

Målet med dette forslaget er todelt: å demonstrere effektiviteten til INS for romlig selektiv nervestimulering i øvre ekstremitet og å bestemme den histologiske sikkerheten til INS ved bruk av diodelasersystemer hos menneskelige pasienter. For å gjøre dette vil etterforskerne rekruttere pasienter som gjennomgår brachial plexus rekonstruksjon (BPR) og nerveoverføringsoperasjoner der både effektiviteten og romlig selektiviteten til INS kan demonstreres og histologiske prøver kan oppnås uten skade på pasientens kvalitet på omsorg eller restitusjon. For å nå disse målene foreslår etterforskerne følgende mål:

Mål 1: Design og fabriker en klinisk fiberoptisk sonde for et diodebasert INS-system. Ved å bruke våre eksisterende diodelasere vil etterforskerne lage et klinisk diodelaser-INS-system ved å konstruere INS fiberoptiske prober. Fiberoptiske prober vil bli designet og karakterisert for å samle lys fra våre diodelasere og levere det lyset til nerven. Sondene vil være steriliserbare, ergonomiske og manøvrerbare, transmissive ved de relevante bølgelengdene og gi konsistente stimuleringsparametere. Probedesignet vil være basert på eksisterende kliniske ES-prober og modifisert basert på tilbakemeldinger fra kirurgen.

Mål 2: Demonstrere effekten av INS i nerveoverføringstilfeller Mens INS med dyre kliniske lasere har vist seg å være et effektivt middel for nervestimulering, har INS med diodelasere ennå ikke blitt demonstrert hos menneskelige pasienter. Her vil etterforskeren stimulere nerver identifisert for overføring eller grafting over en rekke simuleringsparametere (pulsbredde, punktstørrelse, energi per arealenhet osv.) for å bestemme stimuleringsterskelen. Bare deler av nerven som ikke lenger er funksjonelt påkrevd vil bli stimulert optisk. Vellykkede INS-hendelser vil bli bestemt av visuelle muskelsammentrekninger. Stimuleringsterskler vil bli bestemt ved å tilpasse dataene til en kumulativ distribusjonsfunksjon.

Mål 3: Bestem den histologiske sikkerheten til det diodebaserte INS-systemet I forbindelse med mål 2 vil stimuleringssteder på nerven bli høstet og histologisk undersøkt for bevis på INS-indusert skade. Stimuleringssteder vil merkes med et vevsfargestoff og kuttes ut for histologisk forberedelse. Når det gjelder vevsfargestoffet, vil studiekirurgen bruke en steril kirurgisk merkepenn for å markere stimuleringsstedet. Disse sterile kirurgiske merkepennene er ment å brukes in vivo for å merke vev. De sterile kirurgiske merkepennene brukes regelmessig i rutinepleie for å merke vev intraoperativt. Det er ingen ekstra risiko for studiedeltakere som vil få sitt stimuleringssted merket med en steril kirurgisk merkepenn. Stimuleringsstedet (nervesegmentet) som skal merkes med den sterile kirurgiske merkepennen vil bli skåret ut for histologisk forberedelse.

Når prøvene er fikset og skåret i skiver, vil de farges med toluidinblått og/eller Luxol raske blå-Periodic acid Schiff-farger og avbildes. Avbildede lysbilder vil bli undersøkt for bevis på myelinavbrudd, kollagenhyalinisering og forkulling blant andre kriterier. Det vil også utvikles et histologisk skadegraderingsskjema basert på skadens alvorlighetsgrad og dybde med hensyn til selve nerven. Skadeterskler vil på samme måte bli bestemt ved hjelp av Probit Analysis og sammenlignet med stimuleringsterskelen for å bestemme sikkerhetsmarginen.

INS har potensial til å tjene som verdifull nevral stimuleringsteknikk i klinikken. På grunn av sin høye grad av romlig selektivitet, kan INS forbedre gjeldende elektriske stimuleringsmetoder som kan eksitere flere nerver eller fascikler samtidig på grunn av strømspredning og derfor redusere usikkerhet under prosedyrer for nerveidentifikasjon. Mens INS har blitt vellykket og trygt brukt i mennesker, har kostnadseffektive laserdiodesystemer ennå ikke blitt evaluert. Dette forslaget vil tillate utvikling og testing av et klinisk diodebasert INS-system både når det gjelder effektivitet og sikkerhet. Dette forslaget samler et komplementært team av etterforskere med unik ekspertise innen både de kliniske og tekniske aspektene ved INS og dets applikasjoner. Bruken av INS i BPR- og nerveoverføringstilfeller vil tillate oss å bestemme stimulerings- og sikkerhetsterskelene for diodebaserte INS hos mennesker vil bane vei for at denne teknikken kan brukes i andre prosedyrer der forbedret romlig spesifisitet er svært fordelaktig. Ved å utvide bruken av INS til tilfeller av overekstremiteter, kan denne teknikken ha en betydelig innvirkning på omsorgsstandarden i operasjoner som bruker stimulering for å identifisere spesifikke nerver og nervefascikler.