Elektrisk impedanstomografi og selektiv stimulering av vagusnerven (EITsVNS)

Electroceuticals er et relativt nytt felt der målet er å behandle en lang rekke medisinske sykdommer med elektrisk stimulering av autonome nerver. Et hovedmål for intervensjon er den cervikale vagusnerven, da den er lett kirurgisk tilgjengelig og forsyner mange organer i nakken, thorax og mage. Det vil være ønskelig å stimulere selektivt for å unngå effektene utenfor målet som nå oppstår. Inntil nylig har dette ikke vært prøvd tidligere, både på grunn av begrensninger i tilgjengelig teknologi, men også fordi, overraskende nok, den fascikulære organiseringen av cervical vagus nerve er nesten helt ukjent; arbeid har nylig blitt utført i dyremodeller. Målet med denne forskningen er å undersøke den funksjonelle anatomien til fascikler (grupper av nervefibre) i den cervikale vagusnerven til mennesker. Dette vil inkludere å definere innervasjon til hjertet, lungene og tilbakevendende larynx og, hvis mulig, spiserøret, magesekken, bukspyttkjertelen, leveren og mage-tarmkanalen. Etter at de spesifikke plasseringene til gruppene ovenfor er identifisert, vil det være mulig å styre stimuleringen slik at kun spesifikke organer påvirkes av vagusnervestimuleringen. Spesielt kan det være mulig å oppnå en terapeutisk anfallsdempende effekt ved epilepsi med bedre effekt, og samtidig unngå alle bivirkninger som normalt er tilstede fordi alle organfunksjonene endres når hele nerven blir stimulert.

Vår gruppe har vært banebrytende for bruken av en multifunksjonell nervemansjett for avbildningsaktivitet i nerver med elektrisk impedanstomografi (EIT) og med evnen til romlig selektiv nevromodulering. Den har blitt optimalisert og validert for bruk in vivo i dyremodeller.

Vagus nervestimulering (VNS) utføres for tiden hos mennesker for behandling av medikamentresistent epilepsi og depresjon. Imidlertid kan VNS som en terapeutisk intervensjon utvides til et stort spekter av terapeutiske anvendelser. Pågående studier og preklinisk forskning indikerer lovende resultater i behandling av kardiovaskulære lidelser og hjertesvikt, lungeskade, astma, sepsis, revmatoid artritt, diabetes, fedme, smertebehandling og målretting mot den antiinflammatoriske veien generelt. I tillegg kan selektiv nevromodulering brukes som en terapeutisk tilnærming for behandling av akutt respiratorisk distress-syndrom, dominerende for tiden under Covid-19-pandemien, som krever aktivering av noen veier (kolinerg anti-inflammatorisk vei) og ikke andre (lungefunksjon). ) for å effektivt forbedre resultatene.

Selv med det enorme potensialet til VNS i behandling av en rekke sykdommer, eksisterer det fortsatt begrensninger. Uten kunnskap om nevroanatomien til målnerven, råder bivirkninger og reduserer effekten av behandlingen. En stor andel av de hyppige bivirkninger, inkludert hoste, dyspné og heshet, kan tilskrives aktivering av de tilbakevendende larynxnervefibrene i vagusnerven. Unngåelse av vagal utstrømning til strupehodet alene kan i stor grad forbedre VNS og redusere bivirkningene som så ofte observeres. Kunnskap om innervasjonen fra alle regioner innenfor cervical vagus nerve kan imidlertid forbedre målrettet stimulering og terapeutisk effekt ytterligere; unngå uønskede reaksjoner i ikke-målrettede organer som kortpustethet og bradykardi og kan redusere risikoen for ytterligere langsiktige bivirkninger, som å utvikle hyperglykemi ved stimulering av epilepsi.

EIT og selektiv stimulering av den menneskelige vagusnerven lover å gi informasjon om den fascikulære organiseringen av nerven som vil tillate målrettet nevromodulering under behandling av epilepsi, depresjon og andre lidelser uten vilkårlig vagal utstrømning og dermed unngå effekter utenfor målet som for tiden oppleves. Effekten og terapeutiske resultatene av VNS vil bli forbedret. Det krever tverrfaglig samarbeid fra biomedisinske forskere, elektronikkingeniører og matematikere, og har stor interesse for de som er interessert i tverrfaglig arbeid på disse feltene.

Under rutinemessig implantasjonskirurgi for vagusnervestimulator vil den opererende kirurgen plassere en midlertidig elektrodemansjett kun for formålet med denne studien, etter å ha fått tilgang til vagusnerven. Denne mansjetten vil bli fjernet under samme operasjon etter at protokollen er fullført, og operasjonen fullført som vanlig. Denne mansjetten er designet for engangsbruk, laget av sterilisert platina og medisinsk silikon - et lag med platina som inneholder spor og elektroder arrangert i ringer, er begrenset mellom to lag med medisinsk silikon. For å sikre at mansjetten er i kontakt med nerven, vil en medisinsk silikonstøtte, i form av et rør med en åpning, eller biokompatible klemmer festet til åpningsendene av mansjetten brukes etter kirurgens skjønn. Den ene enden av mansjetten har en kontakt som fører til en elektronisk enhet som brukes til stimuleringene og opptakene. Mens pasienten fortsatt er under rutinemessig implantasjonskirurgi, vil både selektiv stimulering og EIT-registreringer (avbildning) finne sted. En elektrisk strøm vil bli drevet mellom et par elektroder som er tilstede på mansjetten, og prosessen vil bli gjentatt for forskjellige par mens det registreres fysiologiske parametere (EKG (registrering av hjerteaktivitet), respirasjon, elektrogastrogram) for å se etter fysiologiske endringer. Parametre, som strøm, pulsbredde og frekvens, vil bli justert for å fremkalle responser i nerven av forskjellige nervefibertyper. Stimulering vil bli utført i omtrent opptil 28 minutter (10 til 30 sekunder per par med ventetid mellom for å gå tilbake til baseline). Dette kan gjentas med forskjellige stimuleringsparametere. Deretter vil nerveavbildning (EIT) bli utført på lignende måte med strøm injisert gjennom forskjellige elektrodepar; denne gangen vil imidlertid andre elektroder på mansjetten brukes til å registrere elektriske egenskaper, spesielt impedans, fra nerven. Dette vil også foregå i ca. 28 minutter. Mansjetten vil bli fjernet av kirurgen på slutten av protokollen og operasjonen vil bli fullført som vanlig for standard implantasjonskirurgi. Dette vil fullføre involveringen av pasienten i denne studien. Alle målinger og opptak vil bli analysert på et senere tidspunkt av forskerne på deres laboratorium og kontor, for å få informasjon om selektiv vagusnervestimulering og danne bilder av aktiviteten i nerven og nivået av mansjettimplantasjon.