Elektrisk impedanstomografi & selektiv stimulering av vagusnerven (EITsVNS)

Elektroceuticals är ett relativt nytt område där målet är att behandla en mängd olika medicinska sjukdomar med elektrisk stimulering av autonoma nerver. Ett primärt mål för intervention är den cervikala vagusnerven eftersom den är lättillgänglig kirurgiskt och försörjer många organ i nacken, bröstkorgen och buken. Det skulle vara önskvärt att stimulera selektivt för att undvika de effekter utanför målet som för närvarande uppstår. Fram till nyligen har detta inte prövats tidigare, både på grund av begränsningar i tillgänglig teknologi men också för att, överraskande nog, den fascikulära organisationen av den cervikala vagusnerven är nästan helt okänd; arbete har nyligen utförts i djurmodeller. Syftet med denna forskning är att undersöka den funktionella anatomin hos fascikler (grupper av nervfibrer) i den cervikala vagusnerven hos människor. Detta kommer att innefatta att definiera innervation till hjärtat, lungorna och återkommande larynx och, om möjligt, matstrupen, magen, bukspottkörteln, levern och mag-tarmkanalen. Efter att de specifika platserna för ovanstående grupper har identifierats kommer det att vara möjligt att styra stimuleringen så att endast specifika organ påverkas av vagusnervens stimulering. I synnerhet kan det vara möjligt att uppnå en terapeutisk anfallsdämpande effekt vid epilepsi med bättre effekt, och samtidigt undvika alla normalt förekommande biverkningar eftersom alla organfunktioner förändras när hela nerven stimuleras.

Vår grupp har banat väg för användningen av en multifunktionell nervmanschett för avbildning av aktivitet inom nerver med elektrisk impedanstomografi (EIT) och med förmågan till rumsligt selektiv neuromodulering. Den har optimerats och validerats för användning in vivo i djurmodeller.

Vagusnervstimulering (VNS) utförs för närvarande hos människor för behandling av läkemedelsresistent epilepsi och depression. VNS som en terapeutisk intervention kan emellertid utökas till ett stort antal terapeutiska tillämpningar. Pågående studier och preklinisk forskning indikerar lovande resultat vid behandling av kardiovaskulära sjukdomar och hjärtsvikt, lungskador, astma, sepsis, reumatoid artrit, diabetes, fetma, smärtbehandling och inriktning mot den antiinflammatoriska vägen i allmänhet. Dessutom kan selektiv neuromodulering användas som ett terapeutiskt tillvägagångssätt för behandling av akut andnödsyndrom, som för närvarande dominerar under Covid-19-pandemin, vilket kräver aktivering av vissa vägar (kolinerg antiinflammatorisk väg) och inte andra (lungfunktion) ) för att effektivt förbättra resultaten.

Även med den stora potentialen hos VNS vid behandling av en mängd olika sjukdomar finns det fortfarande begränsningar. Utan kunskap om målnervens neuroanatomi råder biverkningar och minskar behandlingens effektivitet. En stor del av de ofta upplevda biverkningarna, inklusive hosta, dyspné och heshet, kan hänföras till aktivering av de återkommande larynxnervens fibrer i vagusnerven. Undvikande av vagalt utflöde enbart till struphuvudet kan avsevärt förbättra VNS och minska de biverkningar som så ofta observeras. Men kunskap om innerveringen från alla regioner inom den cervikala vagusnerven kan ytterligare förbättra riktad stimulering och terapeutisk effekt; undvika oönskade reaktioner i icke-målorgan som andnöd och bradykardi och kan minska risken för ytterligare långsiktiga biverkningar, såsom att utveckla hyperglykemi vid stimulering av epilepsi.

EIT och selektiv stimulering av den mänskliga vagusnerven lovar att tillhandahålla information om nervens fascikulära organisation, vilket skulle möjliggöra riktad neuromodulering under behandling av epilepsi, depression och andra störningar utan urskillningslöst vagalt utflöde och därigenom undvika effekter utanför målet som för närvarande upplevs. Effekten och terapeutiska resultaten av VNS kommer att förbättras. Det kräver tvärvetenskapligt samarbete från biomedicinska forskare, elektronikingenjörer och matematiker, och har stort intresse för dem som är intresserade av tvärvetenskapligt arbete inom dessa områden.

Under rutinmässig implantation av vagusnervstimulator kommer den opererande kirurgen att placera en tillfällig elektrodmanschett endast för denna studies syfte, efter att ha fått tillgång till vagusnerven. Denna manschett kommer att tas bort under samma operation efter att protokollet har slutförts och operationen slutförs som vanligt. Denna manschett är designad för engångsbruk, tillverkad av steriliserad platina och silikon av medicinsk kvalitet - ett lager av platina som innehåller spår och elektroder arrangerade i ringar är instängt mellan två lager av medicinskt silikon. För att säkerställa att manschetten är i kontakt med nerven, kommer ett medicinskt silikonstöd, i form av ett rör med en öppning, eller biokompatibla klämmor fästa vid manschettens öppningsändar att användas efter kirurgens gottfinnande. Ena änden av manschetten har en kontakt som leder till en elektronisk enhet som används för stimulering och inspelningar. Medan patienten fortfarande är under rutinmässig implantationsoperation kommer både selektiv stimulering och EIT-inspelningar (avbildning) att äga rum. En elektrisk ström kommer att drivas mellan ett par elektroder som finns på manschetten, och processen kommer att upprepas för olika par samtidigt som fysiologiska parametrar registreras (EKG (registrering av hjärtaktivitet), andning, elektrogastrogram) för att leta efter fysiologiska förändringar. Parametrar, såsom ström, pulsbredd och frekvens, kommer att justeras för att framkalla svar i nerven av olika nervfibertyper. Stimulering kommer att utföras i ungefär upp till 28 minuter (10 till 30 sekunder per par med väntetid emellan för att återgå till baslinjen). Detta kan upprepas med olika stimuleringsparametrar. Därefter kommer nervavbildning (EIT) att utföras på liknande sätt med ström som injiceras genom olika elektrodpar, men denna gång kommer andra elektroder på manschetten att användas för att registrera elektriska egenskaper, speciellt impedans, från nerven. Detta kommer också att pågå i cirka 28 minuter. Manschetten kommer att tas bort av kirurgen i slutet av protokollet och operationen kommer att slutföras som vanligt för standardimplantationsoperationen. Detta kommer att slutföra involveringen av patienten i denna studie. Alla mätningar och inspelningar kommer att analyseras i ett senare skede av forskarna i deras labb och kontor, för att få information om selektiv vagusnervstimulering och bilda bilder av aktiviteten i nerven och nivån på manschettens implantation.