Análise bioeletrônica não invasiva (NIBA)

Os biomarcadores que refletem a presença ou intensidade da doença ou a eficácia do tratamento são fundamentais para os avanços médicos. Biomarcadores registrados fornecem informações sobre processos fisiológicos regulados pelo sistema nervoso autônomo (SNA), que incluem pressão arterial, frequência cardíaca, sudorese e temperatura corporal. O SNA possui duas divisões principais: os sistemas simpático e parassimpático. A maioria dos órgãos recebe informações recíprocas de ambos os sistemas para atingir a homeostase por meio do equilíbrio do SNA. Essa regulação ocorre sem controle consciente (ou seja, de forma autônoma). A desregulação do SNA pode ocorrer como resultado de distúrbios ou lesões, incluindo diabetes, sepse, lesões na medula espinhal (LM), doença de Parkinson e muitas outras condições.

O SNA é a parte do sistema nervoso que regula e integra funções corporais que normalmente são involuntárias, particularmente órgãos internos, incluindo vasos sanguíneos, pulmões, pupilas, coração, suor e glândulas salivares. Juntamente com os sistemas imunológicos, controla e adapta a homeostase do meio interno com base nas mudanças do meio externo. Distúrbios na regulação autonômica foram descritos em uma variedade de doenças e distúrbios, incluindo aqueles que afetam diretamente o sistema nervoso, como lesões na medula espinhal e acidente vascular cerebral, e aqueles que afetam outros sistemas de órgãos, como sepse e infecção, artrite reumatóide, doença de Crohn doença, diabetes mellitus e várias doenças cardíacas. Essa desregulação se manifesta de maneira diferente para cada uma dessas condições, mesmo de forma inconsistente entre os pacientes, e o significado dos sintomas devido à disfunção do SNA não é bem compreendido.

O SNA pode ser dividido em dois ramos principais: os sistemas simpático e parassimpático. Todos os órgãos internos são inervados por um ou ambos os sistemas componentes através dos condutos principais do SNA, que incluem o tronco encefálico, a medula espinhal e os nervos cranianos, como o nervo vago. Os ramos normalmente funcionam opostos e complementares entre si; as mudanças fisiológicas associadas ao sistema simpático incluem aceleração da frequência cardíaca, dilatação das pupilas e transpiração, enquanto o sistema parassimpático desacelera o coração, reduz a pressão sanguínea e relaxa os músculos. Ambos os sistemas trabalham em conjunto para modular e manter a pressão arterial, o tônus ​​vagal, a frequência cardíaca, a respiração e a contratilidade cardíaca. Embora ambos os sistemas operem para manter a homeostase, o sistema simpático pode ser considerado um sistema de resposta rápida e mobilizador, enquanto o parassimpático é um sistema de ativação e amortecimento mais lento.

Em vez de medir o SNA diretamente do sistema nervoso central ou periférico por meio de implantes invasivos, é possível registrar sinais fisiológicos por meio de avanços em testes clínicos não invasivos. Os laboratórios são capazes de testar a função autonômica e contam com baterias de testes não invasivos aceitos. De acordo com a Academia Americana de Neurologia (AAN), as técnicas padrão de testes autonômicos incluem a medição da frequência cardíaca e da variabilidade da pressão arterial durante a respiração profunda, a mesa de inclinação e a manobra de Valsalva para avaliar a função cardiovagal (parassimpática) e sudomotora (simpática). É fácil adicionar ao limitado equipamento necessário (manguito de pressão arterial, eletrocardiograma [ECG]), incluindo eletroencefalografia (EEG) para medir a atividade cerebral, eletromiografia (EMG) para medir a atividade muscular e óculos de rastreamento ocular para medir a pupilometria durante esta bateria . Todos os sinais não invasivos podem ser medidos durante perturbações controladas para caracterizar o SNA. A avaliação da função do SNA é agora usada em várias disciplinas, incluindo neurologia, cardiologia, psicologia, psicofisiologia, obstetrícia, anestesiologia e psiquiatria.

Os reflexos neurais controlam as respostas nos sistemas cardiovascular, pulmonar, gastrointestinal, renal, hepático e endócrino. O reflexo inflamatório baseado no nervo vago é de particular interesse no Feinstein Institute for Medical Research e demonstrou regular a função imunológica. O sistema nervoso interage com o sistema imunológico por esta via; mediadores moleculares da imunidade inata ativam sinais aferentes no nervo vago para o tronco cerebral, que envia sinais eferentes pelo nervo vago para regular a inflamação e a liberação de citocinas. Estimulação do nervo vago (VNS) demonstrou diminuir a produção e liberação de citocinas pró-inflamatórias; dispositivos bioeletrônicos têm sido usados ​​em ensaios clínicos pré-clínicos e pilotos para reduzir a inflamação em pacientes com artrite reumatóide e doença de Crohn.

O ramo auricular do nervo vago vem do vago e inerva áreas cutâneas da orelha externa. A estimulação transcutânea do nervo vago auricular (taVNS) oferece um meio não invasivo de estimular o nervo vago sem intervenção cirúrgica. O dispositivo consiste em um clipe que fornece sinais elétricos aos processos da aurícula e tem sido usado em estudos clínicos anteriores para várias condições, incluindo epilepsia refratária, depressão, pré-diabetes, zumbido, memória, acidente vascular cerebral, disfunção oromotora e reumatóide artrite, com estudos adicionais planejados para terapia ou tratamento de acidente vascular cerebral, fibrilação atrial e insuficiência cardíaca. Esses estudos usaram uma variedade de configurações e locais de estimulação elétrica; o mecanismo de taVNS e as respostas não são bem compreendidos, assim como os efeitos das mudanças nos parâmetros de estimulação no SNA.

Recentemente, a aplicação de modelos de aprendizado de máquina e algoritmos de decodificação permite a utilização de medições clínicas comumente usadas de sinais fisiológicos para entender melhor fenômenos mais amplos de função autonômica e desregulação. A pesquisa tem se concentrado no desenvolvimento de padrões quantitativos baseados em biomarcadores para auxiliar no diagnóstico, prognóstico e estimativas da eficácia do tratamento. Dados autonômicos podem potencialmente capturar medidas objetivas de estados de doença, e técnicas de aprendizado de máquina podem ser usadas para extrair recursos relevantes para a construção de um modelo preditivo de equilíbrio do SNA. Ao treinar esse modelo em registros de indivíduos saudáveis ​​e fisicamente aptos, os investigadores planejam caracterizar o equilíbrio do ANS e, em seguida, aplicar esse modelo a novos conjuntos de dados e indivíduos para diagnosticar ou prever estados de doença.

Métodos modernos de ciência computacional têm sido usados ​​para decodificar dados clínicos e experimentais complexos, detectando padrões, classificando sinais e extraindo informações para novos conhecimentos. Por meio de técnicas de processamento de sinais, foi possível decodificar os sinais do sistema nervoso autônomo transmitidos pelo nervo vago, identificando grupos de neurônios vagais que disparam em resposta à administração de citocinas específicas. Além disso, o aprendizado de máquina foi usado para quantificar a dor clínica usando métricas autonômicas multimodais e neuroimagem, e dados ambulatoriais em larga escala foram usados ​​para monitorar sinais fisiológicos e desenvolver modelos multissensores para detectar o estresse na vida diária.

Além disso, os pesquisadores querem examinar como essas medições são afetadas pelo uso de estimulação elétrica transcutânea não invasiva do nervo vago. A estimulação do nervo vago por um estimulador implantado cirurgicamente regula e suprime a liberação de citocinas pró-inflamatórias. Isso já foi usado em um ensaio clínico bem-sucedido para tratar a artrite reumatóide e a doença de Crohn. A estimulação transcutânea não invasiva do nervo vago também tem mostrado resultados iniciais promissores, indicando que métodos não invasivos de ativação de uma parte específica do sistema nervoso autônomo podem ser usados ​​com sucesso para tratar doenças. No entanto, biomarcadores em tempo real de eficácia deste tratamento não estão disponíveis.

Aqui, o estudo desenvolverá uma estrutura para decodificar uma infinidade de sinais fisiológicos não invasivos durante o teste autonômico controlado para formar um modelo que possa quantificar o equilíbrio do SNA, bem como os efeitos do taVNS no sistema, em indivíduos saudáveis ​​e fisicamente aptos. Os dados derivados deste estudo permitirão a capacidade de detectar desvios precoces e significativos da homeostase "normal" e fornecer novos biomarcadores não invasivos em tempo real que podem ser usados ​​para avaliar o início ou a gravidade da doença, bem como a eficácia de uma terapia na ativação o SNA de uma forma específica. A longo prazo, isso melhorará os protocolos de tratamento atuais e sugerirá novas oportunidades terapêuticas.