Kliniczne bezpieczeństwo i skuteczność stymulacji nerwów w podczerwieni podczas transferów nerwowych

Szeroki zakres zabiegów chirurgicznych obejmuje lokalizowanie i identyfikację nerwów i struktur nerwowych. W przypadkach takich jak rekonstrukcja splotu ramiennego chirurg musi zidentyfikować określone pęczki nerwowe do przeszczepu. Podczas gdy w innych przypadkach, takich jak rizotomia korzenia grzbietowego, chirurg musi zidentyfikować nadpobudliwe korzenie nerwowe do przecięcia. Zdolność do dokładnej identyfikacji i lokalizacji nerwów ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia niezamierzonych i szkodliwych konsekwencji, które mogą być kosztownym źródłem sporów sądowych. Chirurdzy często polegają na swojej wiedzy anatomicznej i wizualizacji pola operacyjnego, aby zidentyfikować i zlokalizować nerwy. Rozmieszczenie nerwów różni się jednak w zależności od osoby, często odbiegając od atlasów anatomicznych. Aby uwzględnić tę zmienność między pacjentami, chirurdzy wykorzystują również metody stymulacji elektrycznej (ES) do śródoperacyjnej identyfikacji i lokalizacji nerwów i pęczków nerwowych. Po ES chirurdzy polegają na elektromiografii lub obecności widocznych skurczów mięśni, aby potwierdzić tożsamość i lokalizację stymulowanego nerwu. ES jest jednak ograniczony przez nieodłączne ograniczenia fizyczne. Rozprzestrzenianie się prądu, w którym prąd elektryczny rozprasza się w otaczającej tkance, od dawna nęka metody ES. W wyniku rozpływania się prądu bodziec elektryczny rozszerzy się poza miejsce kontaktu z sondą stymulacyjną, uruchamiając sąsiednie pęczki nerwowe. W konsekwencji słaba ogniskowość stymulacji ES sprawia, że ​​nie jest to idealny sposób na celowanie w małe cele nerwowe lub precyzyjne monitorowanie struktur nerwowych w bezpośrednim kontakcie z elektrodą stymulacyjną. W procedurach klinicznych aktywacja odległej tkanki nerwowej lub wielu struktur nerwowych może wprowadzić niejednoznaczność i niepewność co do tożsamości i lokalizacji określonych struktur nerwowych, co budzi niepokój chirurgów. Zatem istnieje zapotrzebowanie na technikę stymulacji neuronów o wyższym stopniu selektywności przestrzennej, aby poprawić lokalizację i identyfikację nerwów podczas operacji.

Stymulacja neuronów w podczerwieni (INS) to pozbawiona znaczników metoda optyczna stosowana do wzbudzania tkanki nerwowej za pomocą impulsów światła podczerwonego o niskiej energii. Jako technika neurostymulacji optycznej INS charakteryzuje się wysokim stopniem swoistości przestrzennej bez konieczności bezpośredniego kontaktu z tkanką (ryc. 1). Nasza grupa wielokrotnie wykazywała przestrzenną specyficzność INS do aktywacji poszczególnych pęczków nerwowych u szczurów, naczelnych innych niż ludzie i ludzi in vivo. Wstępne odkrycia naszej grupy skłoniły również inne grupy do wykorzystania selektywności przestrzennej INS do innych zastosowań klinicznych, takich jak monitorowanie nerwów i stymulacja serca. Nieodłączna precyzja przestrzenna INS jest bezpośrednim wynikiem leżącego u jej podstaw mechanizmu biofizycznego. Osadzanie się światła podczerwonego w tkance nerwowej powoduje przejściowy gradient termiczny, który depolaryzuje błonę komórkową poprzez indukowaną termicznie zmianę pojemności błony. Energia cieplna z impulsów podczerwieni jest przestrzennie ograniczona do napromieniowanej objętości, określonej przez wielkość plamki lasera i głębokość wnikania światła w tkankę. Nasza grupa, jak również inni, udowodniła histologicznie, że INS może bezpiecznie i niezawodnie pobudzać nerwy bez powodowania uszkodzeń. Biorąc pod uwagę te zalety w porównaniu z tradycyjnymi sposobami ES, badacze uważają, że INS jest realną alternatywną techniką stymulacji, zwłaszcza w przypadkach chirurgicznych, w których istnieje potrzeba ograniczonej neurostymulacji. Celem tej propozycji jest wykorzystanie wewnętrznych zalet INS i zastosowanie ich w operacjach kończyn górnych, gdzie do identyfikacji i lokalizacji nerwów niezbędna jest przestrzennie precyzyjna neurostymulacja. Badanie to będzie opierać się na wcześniejszej pracy klinicznej naszej grupy i dodatkowo ustali, że INS jest cennym dodatkiem do klinicznych metod neurostymulacji.

Cel tej propozycji jest dwojaki: wykazanie skuteczności INS w przestrzennie selektywnej stymulacji nerwów kończyny górnej oraz określenie histologicznego bezpieczeństwa INS przy użyciu systemów lasera diodowego u ludzi. W tym celu badacze będą rekrutować pacjentów poddawanych rekonstrukcji splotu ramiennego (BPR) i operacjom przeniesienia nerwów, podczas których można wykazać zarówno skuteczność, jak i selektywność przestrzenną INS, a próbki histologiczne można uzyskać bez uszczerbku dla jakości opieki nad pacjentami lub rekonwalescencji. Aby osiągnąć te cele, badacze proponują następujące cele:

Cel 1: Zaprojektować i wyprodukować kliniczną sondę światłowodową dla diodowego systemu INS Wykorzystując nasze istniejące lasery diodowe, badacze stworzą kliniczny laser diodowy system INS, konstruując sondy światłowodowe INS. Sondy światłowodowe zostaną zaprojektowane i scharakteryzowane w celu zbierania światła z naszych laserów diodowych i dostarczania tego światła do nerwu. Sondy będą sterylizowalne, ergonomiczne i łatwe w manewrowaniu, transmitujące na odpowiednich długościach fal i zapewniające spójne parametry stymulacji. Projekt sondy będzie oparty na istniejących klinicznych sondach ES i zmodyfikowany na podstawie opinii chirurga.

Cel 2: Wykazanie skuteczności INS w przypadkach przeniesienia nerwów Podczas gdy wykazano, że INS z drogimi laserami klinicznymi jest skutecznym sposobem stymulacji nerwów, INS z laserami diodowymi nie został jeszcze wykazany u ludzi. W tym przypadku badacz będzie stymulował nerwy zidentyfikowane do przeniesienia lub przeszczepu w zakresie parametrów symulacji (szerokość impulsu, rozmiar plamki, energia na jednostkę powierzchni itp.), aby określić próg stymulacji. Tylko te części nerwu, które nie są już potrzebne funkcjonalnie, będą stymulowane optycznie. Udane zdarzenia INS zostaną określone przez wizualne skurcze mięśni. Progi stymulacji zostaną określone przez dopasowanie danych do skumulowanej funkcji rozkładu.

Cel 3: Określenie histologicznego bezpieczeństwa układu INS opartego na diodzie W połączeniu z celem 2, miejsca stymulacji nerwu zostaną zebrane i zbadane histologicznie pod kątem uszkodzeń wywołanych przez INS. Miejsca stymulacji zostaną oznaczone barwnikiem tkankowym i wycięte w celu przygotowania histologicznego. Jeśli chodzi o barwnik tkankowy, chirurg prowadzący badanie użyje sterylnego chirurgicznego pisaka do oznaczenia miejsca stymulacji. Te sterylne pisaki chirurgiczne są przeznaczone do oznaczania tkanek in vivo. Sterylne pisaki chirurgiczne są regularnie używane w rutynowej opiece do znakowania tkanek śródoperacyjnie. Nie ma dodatkowego ryzyka dla uczestników badania, których miejsce stymulacji zostanie oznaczone sterylnym pisakiem chirurgicznym. Miejsce stymulacji (segment nerwu), które zostanie zaznaczone sterylnym pisakiem chirurgicznym, zostanie wycięte w celu przygotowania histologicznego.

Po utrwaleniu i pokrojeniu próbek zostaną one wybarwione błękitem toluidynowym i/lub barwnikami Schiffa z kwasem nadjodowym Luxol fast blue i zobrazowane. Zobrazowane szkiełka zostaną zbadane pod kątem dowodów przerwania mieliny, hialinizacji kolagenu i zwęglenia wśród innych kryteriów. Opracowany zostanie również histologiczny schemat oceny uszkodzeń w oparciu o ciężkość i głębokość uszkodzeń w odniesieniu do samego nerwu. Progi uszkodzeń zostaną podobnie określone za pomocą analizy probitowej i porównane z progiem stymulacji w celu określenia marginesu bezpieczeństwa.

INS ma potencjał, aby służyć jako cenna technika stymulacji nerwowej w klinice. Ze względu na wysoki stopień selektywności przestrzennej, INS może ulepszyć obecne elektryczne metody stymulacji, które mogą pobudzać wiele nerwów lub wiązek jednocześnie z powodu rozprzestrzeniania się prądu, a tym samym zmniejszać niepewność podczas procedur identyfikacji nerwów. Chociaż INS był z powodzeniem i bezpiecznie stosowany u ludzi, opłacalne systemy diod laserowych nie zostały jeszcze ocenione. Ta propozycja pozwoli na opracowanie i przetestowanie klinicznego systemu INS opartego na diodach zarówno pod względem skuteczności, jak i bezpieczeństwa. Ta propozycja skupia uzupełniający się zespół badaczy posiadających wyjątkową wiedzę specjalistyczną zarówno w zakresie klinicznych, jak i technicznych aspektów INS i jego zastosowań. Wykorzystanie INS w przypadkach BPR i transferu nerwów pozwoli nam określić progi stymulacji i bezpieczeństwa INS opartego na diodach u ludzi, co utoruje drogę do zastosowania tej techniki w innych procedurach, w których poprawiona specyficzność przestrzenna jest bardzo korzystna. Rozszerzając zastosowanie INS na przypadki kończyn górnych, technika ta może znacząco wpłynąć na standard opieki w operacjach wykorzystujących stymulację do identyfikacji określonych nerwów i pęczków nerwowych.