Elektryczna tomografia impedancyjna i selektywna stymulacja nerwu błędnego (EITsVNS)

Elektroceutyki to stosunkowo nowa dziedzina, której celem jest leczenie szerokiej gamy chorób za pomocą elektrycznej stymulacji nerwów autonomicznych. Głównym celem interwencji jest szyjny nerw błędny, ponieważ jest on łatwo dostępny chirurgicznie i zaopatruje wiele narządów w szyi, klatce piersiowej i jamie brzusznej. Pożądane byłoby stymulowanie selektywne, aby uniknąć obecnie występujących efektów poza celem. Do niedawna nie próbowano tego w przeszłości, zarówno ze względu na ograniczenia dostępnej technologii, jak i dlatego, co zaskakujące, organizacja pęczków szyjnego nerwu błędnego jest prawie całkowicie nieznana; ostatnio wykonano prace na modelach zwierzęcych. Celem pracy jest zbadanie anatomii czynnościowej pęczków (zespołów włókien nerwowych) w szyjnym nerwie błędnym człowieka. Obejmuje to określenie unerwienia serca, płuc i krtani nawrotowej oraz, jeśli to możliwe, przełyku, żołądka, trzustki, wątroby i przewodu pokarmowego. Po zidentyfikowaniu konkretnych lokalizacji powyższych grup możliwe będzie takie ukierunkowanie stymulacji, aby stymulacja nerwu błędnego dotyczyła tylko określonych narządów. W szczególności możliwe może być uzyskanie terapeutycznego efektu tłumienia napadów w padaczce z lepszą skutecznością, a jednocześnie uniknięcie wszystkich zwykle występujących skutków ubocznych, ponieważ wszystkie funkcje narządów ulegają zmianie, gdy cały nerw zostaje pobudzony.

Nasza grupa jest pionierem w stosowaniu wielozadaniowych mankietów nerwowych do obrazowania aktywności w nerwach za pomocą elektrycznej tomografii impedancyjnej (EIT) iz możliwością przestrzennie selektywnej neuromodulacji. Został zoptymalizowany i zatwierdzony do użytku in vivo na modelach zwierzęcych.

Stymulacja nerwu błędnego (VNS) jest obecnie stosowana u ludzi w leczeniu lekoopornej padaczki i depresji. Jednak VNS jako interwencja terapeutyczna może zostać rozszerzona na szeroki zakres zastosowań terapeutycznych. Trwające badania i badania przedkliniczne wskazują na obiecujące wyniki w leczeniu zaburzeń sercowo-naczyniowych i niewydolności serca, urazów płuc, astmy, posocznicy, reumatoidalnego zapalenia stawów, cukrzycy, otyłości, zwalczaniu bólu i ogólnie ukierunkowaniu na szlak przeciwzapalny. Ponadto selektywna neuromodulacja mogłaby znaleźć zastosowanie jako podejście terapeutyczne w leczeniu zespołu ostrej niewydolności oddechowej, dominującego obecnie w czasie pandemii Covid-19, który wymaga aktywacji niektórych szlaków (cholinergiczny szlak przeciwzapalny), a innych nie (funkcja płuc). ), aby skutecznie poprawić wyniki.

Nawet przy ogromnym potencjale VNS w leczeniu różnych chorób nadal istnieją ograniczenia. Bez znajomości neuroanatomii nerwu docelowego przeważają działania niepożądane i zmniejszają skuteczność leczenia. Dużą część często występujących działań niepożądanych, w tym kaszel, duszność i chrypkę, można przypisać aktywacji włókien nerwu krtaniowego wstecznego w nerwie błędnym. Samo uniknięcie odpływu nerwu błędnego do krtani może znacznie poprawić VNS i zmniejszyć często obserwowane skutki uboczne. Jednak wiedza na temat unerwienia ze wszystkich regionów w obrębie szyjnego nerwu błędnego może dodatkowo poprawić ukierunkowaną stymulację i skuteczność terapeutyczną; unikanie niepożądanych reakcji w narządach niedocelowych, takich jak duszność i bradykardia, oraz może zmniejszyć ryzyko dalszych, długotrwałych skutków ubocznych, takich jak rozwój hiperglikemii podczas stymulacji padaczki.

EIT i selektywna stymulacja ludzkiego nerwu błędnego obiecują dostarczyć informacji na temat organizacji pęczków nerwu, co pozwoliłoby na ukierunkowaną neuromodulację podczas leczenia padaczki, depresji i innych zaburzeń bez masowego odpływu z nerwu błędnego, unikając w ten sposób obecnie doświadczanych skutków ubocznych. Poprawie ulegnie skuteczność i wyniki terapeutyczne VNS. Wymaga interdyscyplinarnej współpracy naukowców biomedycznych, inżynierów elektroników i matematyków i cieszy się dużym zainteresowaniem osób zainteresowanych interdyscyplinarną pracą w tych dziedzinach.

Podczas rutynowej operacji wszczepienia stymulatora nerwu błędnego, chirurg operujący założy tymczasowy mankiet elektrody wyłącznie na potrzeby tego badania, po uzyskaniu dostępu do nerwu błędnego. Mankiet zostanie usunięty podczas tej samej operacji po zakończeniu protokołu i zakończeniu operacji w zwykły sposób. Ten mankiet jest przeznaczony do jednorazowego użytku, wykonany ze sterylizowanej platyny i silikonu medycznego - warstwa platyny zawierająca ścieżki i elektrody ułożone w pierścienie jest zamknięta pomiędzy dwiema warstwami silikonu medycznego. Aby upewnić się, że mankiet styka się z nerwem, według uznania chirurga zostanie użyty silikonowy wspornik klasy medycznej w postaci rurki z otworem lub biokompatybilne zaciski przymocowane do końców mankietu. Na jednym końcu mankietu znajduje się złącze prowadzące do urządzenia elektronicznego służącego do stymulacji i rejestracji. Podczas gdy pacjent nadal czeka na rutynową operację wszczepienia implantu, będzie miała miejsce zarówno selektywna stymulacja, jak i rejestracja EIT (obrazowanie). Pomiędzy parą elektrod znajdujących się na mankiecie będzie przepływać prąd elektryczny, a proces będzie powtarzany dla różnych par podczas rejestrowania parametrów fizjologicznych (EKG (rejestracja czynności serca), oddechu, elektrogastrogramu) w celu wyszukania zmian fizjologicznych. Parametry, takie jak prąd, szerokość impulsu i częstotliwość, zostaną dostosowane w celu wywołania odpowiedzi w nerwie przez różne typy włókien nerwowych. Stymulacja będzie prowadzona przez około 28 minut (10 do 30 sekund na parę z czasem oczekiwania pomiędzy nimi na powrót do linii podstawowej). Można to powtórzyć z różnymi parametrami stymulacji. Następnie w podobny sposób zostanie przeprowadzone obrazowanie nerwów (EIT) z prądem wstrzykiwanym przez różne pary elektrod; tym razem jednak inne elektrody na mankiecie zostaną użyte do zarejestrowania właściwości elektrycznych, w szczególności impedancji, z nerwu. Będzie to miało miejsce również przez około 28 minut. Mankiet zostanie usunięty przez chirurga na koniec protokołu, a operacja zostanie zakończona jak zwykle dla standardowej operacji implantacji. To zakończy zaangażowanie pacjenta w to badanie. Wszystkie pomiary i zapisy zostaną na późniejszym etapie przeanalizowane przez badaczy w ich laboratorium i gabinecie, aby uzyskać informacje o selektywnej stymulacji nerwu błędnego i stworzyć obrazy aktywności w obrębie nerwu oraz stopnia wszczepienia mankietu.