Segurança clínica e eficácia da estimulação neural infravermelha durante transferências nervosas

Uma ampla gama de procedimentos cirúrgicos envolve a localização e identificação de nervos e estruturas neurais. Em casos como a reconstrução do plexo braquial, o cirurgião precisa identificar fascículos nervosos específicos para enxertia. Enquanto em outros casos, como rizotomias da raiz dorsal, o cirurgião precisa identificar radículas nervosas hiperativas para transecção. A capacidade de identificar e localizar com precisão os nervos é fundamental para evitar consequências não intencionais e prejudiciais que podem ser uma fonte dispendiosa de litígio médico-legal. Cirurgiões geralmente dependem de seu conhecimento anatômico e visualização do campo cirúrgico para identificar e localizar nervos. A distribuição dos nervos, no entanto, varia de pessoa para pessoa, frequentemente desviando-se dos atlas anatômicos. Para levar em conta essa variabilidade interpaciente, os cirurgiões também utilizam métodos de estimulação elétrica (ES) para identificar e localizar nervos e fascículos nervosos no intraoperatório. Após ES, os cirurgiões confiam na eletromiografia ou na presença de contrações musculares visíveis para confirmar a identidade e localização do nervo estimulado. ES, no entanto, é limitado por limitações físicas inerentes. A propagação da corrente, na qual a corrente elétrica se dispersa no tecido circundante, há muito tempo atormenta os métodos ES. Como resultado da propagação da corrente, o estímulo elétrico se estenderá além do ponto de contato com a sonda de estimulação, ativando os fascículos nervosos adjacentes. Consequentemente, a fraca focalidade de estimulação do ES o torna um meio não ideal para atingir pequenos alvos neurais ou para monitorar com precisão as estruturas neurais em contato imediato com o eletrodo de estimulação. Em procedimentos clínicos, a ativação de tecido neural distante ou múltiplas estruturas neurais pode introduzir ambigüidade e incerteza quanto à identidade e localização de estruturas neurais específicas que causam preocupação entre os cirurgiões. Assim, há a necessidade de uma técnica de estimulação neural com maior grau de seletividade espacial para melhorar a localização e identificação do nervo durante a cirurgia.

A estimulação neural infravermelha (INS) é um método óptico sem etiqueta usado para excitar o tecido neural com pulsos de baixa energia de luz infravermelha. Como técnica de neuroestimulação óptica, o INS possui alto grau de especificidade espacial sem a necessidade de contato direto com o tecido (Figura 1). Nosso grupo demonstrou repetidamente a especificidade espacial do INS para ativar fascículos nervosos individuais em ratos, primatas não humanos e humanos in vivo. As descobertas iniciais de nosso grupo também levaram outros grupos a alavancar a seletividade espacial do INS para outras aplicações clínicas, como monitoramento nervoso e estimulação cardíaca. A precisão espacial inerente do INS é um resultado direto de seu mecanismo biofísico subjacente. A deposição de luz infravermelha no tecido neural causa um gradiente térmico transitório que despolariza a membrana celular por meio de uma alteração induzida termicamente na capacitância da membrana. A energia térmica dos pulsos infravermelhos é espacialmente confinada ao volume irradiado conforme determinado pelo tamanho do ponto do laser e a profundidade de penetração da luz no tecido. Nosso grupo, assim como outros, provou histologicamente que o INS pode excitar os nervos com segurança e confiabilidade sem causar danos. Dadas essas vantagens sobre os meios tradicionais de ES, os pesquisadores acreditam que o INS é uma técnica de estimulação alternativa viável, especialmente em casos cirúrgicos em que há necessidade de neuroestimulação confinada. O objetivo desta proposta é aproveitar as forças intrínsecas do INS e aplicá-las em cirurgias de membros superiores onde a neuroestimulação espacialmente precisa é necessária para a identificação e localização do nervo. Este estudo se baseará no trabalho clínico anterior de nosso grupo e estabelecerá o INS como uma adição valiosa aos métodos de neuroestimulação clínica.

O objetivo desta proposta é duplo: demonstrar a eficácia do INS para estimulação nervosa espacialmente seletiva na extremidade superior e determinar a segurança histológica do INS usando sistemas de laser de diodo em pacientes humanos. Para isso, os investigadores recrutarão pacientes submetidos a cirurgias de reconstrução do plexo braquial (BPR) e de transferência de nervo, nas quais a eficácia e a seletividade espacial do INS podem ser demonstradas e amostras histológicas podem ser obtidas sem prejuízo da qualidade do atendimento ou recuperação dos pacientes. Para atingir esses objetivos, os investigadores propõem os seguintes objetivos:

Objetivo 1: Projetar e fabricar uma sonda de fibra óptica clínica para um sistema INS baseado em diodo Usando nossos lasers de diodo existentes, os investigadores criarão um sistema INS de laser de diodo clínico construindo sondas de fibra óptica INS. As sondas de fibra óptica serão projetadas e caracterizadas para coletar luz de nossos lasers de diodo e fornecer essa luz ao nervo. As sondas serão esterilizáveis, ergonômicas e manobráveis, transmissivas nos comprimentos de onda relevantes e fornecerão parâmetros de estimulação consistentes. O design da sonda será baseado em sondas ES clínicas existentes e modificado com base no feedback do cirurgião.

Objetivo 2: Demonstrar a eficácia do INS em casos de transferência de nervo Embora o INS com lasers clínicos caros tenha se mostrado um meio eficaz de estimulação nervosa, o INS com lasers de diodo ainda não foi demonstrado em pacientes humanos. Aqui, o investigador estimulará os nervos identificados para transferência ou enxerto em uma variedade de parâmetros de simulação (largura de pulso, tamanho do ponto, energia por unidade de área, etc.) para determinar o limiar de estimulação. Apenas as porções do nervo que não são mais necessárias funcionalmente serão estimuladas opticamente. Eventos INS bem-sucedidos serão determinados por contrações musculares visuais. Os limiares de estimulação serão determinados ajustando os dados a uma função de distribuição cumulativa.

Objetivo 3: Determinar a segurança histológica do sistema INS baseado em diodo Em conjunto com o objetivo 2, os locais de estimulação no nervo serão colhidos e examinados histologicamente quanto à evidência de danos induzidos pelo INS. Os locais de estimulação serão marcados com um corante de tecido e excisados ​​para preparação histológica. Em relação ao corante de tecido, o cirurgião do estudo usará uma caneta de marcação cirúrgica estéril para marcar o local de estimulação. Essas canetas de marcação cirúrgica estéreis devem ser usadas in vivo para marcar tecidos. As canetas de marcação cirúrgica estéreis são usadas regularmente em cuidados de rotina para marcar tecidos no intraoperatório. Não há risco adicional para os participantes do estudo que terão seu local de estimulação marcado com uma caneta de marcação cirúrgica estéril. O local de estimulação (segmento do nervo) que será marcado com a caneta de marcação cirúrgica estéril será excisado para preparo histológico.

Depois que as amostras forem fixadas e cortadas, elas serão coradas com azul de toluidina e/ou azul rápido de Luxol-ácido periódico de Schiff e obtidas imagens. As lâminas de imagem serão examinadas quanto à evidência de ruptura da mielina, hialinização do colágeno e carbonização, entre outros critérios. Um esquema de classificação de danos histológicos também será desenvolvido com base na gravidade e profundidade do dano em relação ao próprio nervo. Os limiares de dano serão igualmente determinados usando a Análise Probit e comparados com o limiar de estimulação para determinar a margem de segurança.

O INS tem o potencial de servir como valiosa técnica de estimulação neural na clínica. Devido ao seu alto grau de seletividade espacial, o INS pode melhorar os métodos elétricos atuais de estimulação que podem excitar vários nervos ou fascículos ao mesmo tempo devido à propagação da corrente e, portanto, reduzir a incerteza durante os procedimentos de identificação do nervo. Embora o INS tenha sido utilizado com sucesso e segurança em humanos, os sistemas de diodo laser econômicos ainda precisam ser avaliados. Esta proposta permitirá o desenvolvimento e teste de um sistema clínico baseado em diodo INS em termos de eficácia e segurança. Esta proposta reúne uma equipe complementar de pesquisadores com experiência única nos aspectos clínicos e técnicos do INS e suas aplicações. A utilização do INS em casos de BPR e transferência de nervo nos permitirá determinar os limiares de estimulação e segurança do INS baseado em diodo em humanos e abrirá caminho para que essa técnica seja empregada em outros procedimentos onde a especificidade espacial aprimorada é altamente vantajosa. Ao estender o uso de INS para casos de membros superiores, esta técnica poderia impactar significativamente o padrão de atendimento em cirurgias utilizando estimulação para identificar nervos e fascículos nervosos específicos.