Клиническая безопасность и эффективность инфракрасной нервной стимуляции во время переноса нервов

Широкий спектр хирургических процедур включает поиск и идентификацию нервов и нервных структур. В таких случаях, как реконструкция плечевого сплетения, хирургу необходимо определить конкретные нервные пучки для трансплантации. В то время как в других случаях, таких как ризотомия задних корешков, хирургу необходимо идентифицировать гиперактивные корешки нерва для пересечения. Способность точно идентифицировать и локализовать нервы имеет решающее значение для предотвращения непреднамеренных и пагубных последствий, которые могут стать причиной дорогостоящих судебно-медицинских разбирательств. Хирурги обычно полагаются на свои анатомические знания и визуализацию операционного поля для идентификации и локализации нервов. Однако расположение нервов варьируется от человека к человеку, часто отклоняясь от анатомических атласов. Чтобы учесть эту межпациентную вариабельность, хирурги также используют методы электростимуляции (ЭС) для идентификации и локализации нервов и нервных пучков во время операции. После ЭС хирурги полагаются на электромиографию или наличие видимых мышечных сокращений, чтобы подтвердить личность и местоположение стимулированного нерва. Однако ES сдерживается присущими ей физическими ограничениями. Распространение тока, при котором электрический ток рассеивается в окружающих тканях, долгое время мешало методам ЭС. В результате распространения тока электрический стимул выходит за пределы точки контакта со стимулирующим зондом, активируя соседние нервные пучки. Следовательно, плохая фокальность стимуляции ЭС делает его неидеальным средством для нацеливания на небольшие нервные мишени или для точного мониторинга нервных структур, находящихся в непосредственном контакте со стимулирующим электродом. В клинических процедурах активация отдаленной нервной ткани или множественных нервных структур может внести двусмысленность и неопределенность в отношении идентичности и местоположения конкретных нервных структур, что вызывает беспокойство у хирургов. Таким образом, существует потребность в технике нервной стимуляции с более высокой степенью пространственной избирательности для улучшения локализации и идентификации нервов во время операции.

Инфракрасная нервная стимуляция (ИНС) — это оптический метод без использования меток, используемый для возбуждения нервной ткани низкоэнергетическими импульсами инфракрасного света. Как метод оптической нейростимуляции, INS обладает высокой степенью пространственной специфичности без необходимости прямого контакта с тканью (рис. 1). Наша группа неоднократно демонстрировала пространственную специфичность INS для активации отдельных нервных пучков у крыс, нечеловеческих приматов и людей in vivo. Первоначальные результаты нашей группы также побудили другие группы использовать пространственную избирательность INS для других клинических приложений, таких как мониторинг нервов и кардиостимуляция. Присущая ИНС пространственная точность является прямым результатом лежащего в ее основе биофизического механизма. Попадание инфракрасного света в нервную ткань вызывает кратковременный температурный градиент, который деполяризует клеточную мембрану за счет термически индуцированного изменения емкости мембраны. Тепловая энергия инфракрасных импульсов пространственно ограничена облучаемым объемом, что определяется размером лазерного пятна и глубиной проникновения света в ткань. Наша группа, как и другие, гистологически доказала, что INS может безопасно и надежно возбуждать нервы, не вызывая повреждения. Учитывая эти преимущества по сравнению с традиционными средствами ЭС, исследователи считают, что ИНС является жизнеспособной альтернативной техникой стимуляции, особенно в хирургических случаях, когда требуется ограниченная нейростимуляция. Цель этого предложения состоит в том, чтобы воспользоваться внутренними преимуществами INS и применить их к операциям на верхних конечностях, где для идентификации и локализации нервов необходима пространственно точная нейростимуляция. Это исследование будет опираться на предыдущую клиническую работу нашей группы и сделает ИНС ценным дополнением к клиническим методам нейростимуляции.

Цель этого предложения двояка: продемонстрировать эффективность ИНС для пространственно-селективной стимуляции нервов в верхней конечности и определить гистологическую безопасность ИНС с использованием диодных лазерных систем у пациентов. Для этого исследователи будут набирать пациентов, перенесших реконструкцию плечевого сплетения (BPR) и операции по пересадке нерва, где можно будет продемонстрировать как эффективность, так и пространственную селективность INS, а также получить гистологические образцы без ущерба для качества лечения или восстановления пациентов. Для достижения этих целей исследователи предлагают следующие задачи:

Цель 1: Разработать и изготовить клинический волоконно-оптический зонд для системы ИНС на основе диодов Используя наши существующие диодные лазеры, исследователи создадут клиническую систему ИНС на основе диодного лазера, создав волоконно-оптические зонды ИНС. Волоконно-оптические зонды будут разработаны и охарактеризованы для сбора света от наших диодных лазеров и доставки этого света к нерву. Зонды будут стерилизуемыми, эргономичными и маневренными, передающими на соответствующих длинах волн и обеспечивающими стабильные параметры стимуляции. Конструкция датчика будет основана на существующих клинических датчиках ES и изменена с учетом отзывов хирургов.

Цель 2: Продемонстрировать эффективность ИНС при пересадке нерва В то время как ИНС с использованием дорогостоящих клинических лазеров показала себя как эффективное средство стимуляции нервов, ИНС с диодными лазерами еще предстоит продемонстрировать на людях. Здесь исследователь будет стимулировать нервы, определенные для переноса или трансплантации, по ряду параметров моделирования (ширина импульса, размер пятна, энергия на единицу площади и т. д.), чтобы определить порог стимуляции. Оптически будут стимулироваться только те участки нерва, которые больше не нужны с функциональной точки зрения. Успешные события INS будут определяться визуальными сокращениями мышц. Пороги стимуляции будут определяться путем подгонки данных к кумулятивной функции распределения.

Цель 3: Определить гистологическую безопасность системы ИНС на основе диодов. В сочетании с Целью 2 участки стимуляции нерва будут собраны и подвергнуты гистологическому исследованию на наличие повреждений, вызванных ИНС. Места стимуляции будут отмечены тканевым красителем и иссечены для гистологического препарата. Что касается тканевого красителя, хирург-исследователь будет использовать стерильную хирургическую маркерную ручку, чтобы отметить место стимуляции. Эти стерильные хирургические маркеры предназначены для использования в естественных условиях для маркировки тканей. Стерильные маркеры для хирургической маркировки регулярно используются в повседневной практике для маркировки тканей во время операции. Нет никакого дополнительного риска для участников исследования, у которых место стимуляции будет помечено стерильной хирургической ручкой. Место стимуляции (сегмент нерва), которое будет помечено стерильной хирургической ручкой, будет вырезано для гистологического препарата.

После того, как образцы будут зафиксированы и нарезаны, они будут окрашены толуидиновым синим и/или красителем Luxol fast blue-Periodic acid Schiff и визуализированы. Изображенные слайды будут исследованы на наличие признаков разрушения миелина, гиалинизации коллагена и обугливания среди других критериев. Также будет разработана гистологическая схема классификации повреждений, основанная на тяжести и глубине повреждения самого нерва. Пороги повреждения будут аналогичным образом определяться с помощью пробит-анализа и сравниваться с порогом стимуляции для определения предела безопасности.

INS может служить ценным методом нервной стимуляции в клинике. Благодаря своей высокой степени пространственной избирательности ИНС может улучшить существующие методы электрической стимуляции, которые могут одновременно возбуждать несколько нервов или пучков из-за распространения тока и, следовательно, уменьшить неопределенность во время процедур идентификации нервов. Несмотря на то, что ИНС успешно и безопасно применялись на людях, рентабельные лазерные диодные системы еще предстоит оценить. Это предложение позволит разработать и протестировать клиническую систему ИНС на основе диода с точки зрения эффективности и безопасности. Это предложение объединяет дополнительную команду исследователей с уникальным опытом как в клинических, так и в технических аспектах INS и ее приложений. Использование INS в BPR и случаях переноса нерва позволит нам определить пороги стимуляции и безопасности INS на основе диода у людей, проложит путь для использования этого метода в других процедурах, где повышенная пространственная специфичность очень выгодна. Распространяя использование INS на верхние конечности, этот метод может значительно повлиять на стандарт медицинской помощи при операциях, использующих стимуляцию для идентификации конкретных нервов и нервных пучков.