Evaluación neurobiológica de electrodos regenerativos como interfase entre nervios lesionados y prótesis biónicas

Abstract

El uso de neuroprótesis, desarrolladas para sustituir artificialmente o mimetizar funciones sensorimotoras en pacientes con déficits neurológicos, incluyen la utilización de interfases en el Sistema Nervioso Periférico a través de electrodos, los cuales permiten la estimulación neuromuscular y el registro de señales neurales. Los electrodos regenerativos estan diseñados con el fin de ser implantados entre los extremos seccionados de un nervio periférico creando asi una interfase regenerativa capaz de estimular y de registrar señales neurales. La aplicabilidad de estos electrodos depende del éxito de la regeneración axonal a través de las perforaciones del electrodo regenerativo, del posible daño nervioso debido a la carga mecánica impuesta por el electrodo o por fuerzas constrictivas dentro de las perforaciones, y de la biocompatibilidad de los componentes, especialmente en una implantación crónica. <br/>Los objetivos del presente trabajo han sido, en primer lugar, la evaluación de la regeneración nerviosa a través de los electrodos regenerativos implantados crónicamente entre los segmentos seccionados del nervio ciático de rata. Todos los animales implantados regeneran a través del electrodo. Sin embargo, entre los 6 y los 12 meses postimplante se observa un descenso en la reinervación funcional y en el número de axones regenerativos a nivel distal, posiblemente por una compresión axonal a nivel de las perforaciones del electrodo. Otro de los resultados del primer apartado, fue la observación de la menor proporción de axones motores que regeneran a través del electrodo, con respecto a los axones sensoriales. Estos datos se corroboran con los obtenidos con el recuento de neuronas que regeneran a través del electrodo. <br/>Una vez demostrada la regeneración a través de este tipo de interfases, el siguiente objetivo fue la extracción de señales neurales por los electrodos regenerativos, mediante estímulos funcionales y eléctricos a nivel distal. Los resultados obtenidos muestran la dificultad en la obtención de señales neurales, dado que sólo en el 50 % de los casos se obtienen registros neurales. En unos casos se da rotura de la cinta que permite la unión con el conector externo debido, probablemente, a tracciones mecánicas, y en otros casos por la falta de regeneración y reinervación distal, hechos que sugieren la necesidad de mejorar en el diseño del electrodo y en buscar estrategias de mejora de la regeneración. <br/>Dado que el objetivo final del electrodo regenerativo es el ser implantado en un nervio amputado, nos planteamos evaluar la regeneración axonal en un modelo de amputación evitando la reinervación de las dianas distales y estudiar si los axones eran capaces de mantenerse funcionales crónicamente y si se podía modular la regeneración mediante el transplante de Células de Schwann (CS). Nuestros resultados muestran como los axones son capaces de regenerar y mantenerse de forma crónica aun sin la posibilidad de alcanzar sus tejidos diana. El transplante de CS de cultivo primario tiene efectos positivos sobre la regeneración y mantenimiento de los axones en el modelo de amputación pero no aumenta el grado de maduración axonal. En cambio, el transplante de CS de una linea inmortalizada es un impedimento para la regeneración en este modelo. És la sobreexpresión de GDNF por parte de estas células las que ejercen un efecto positivo sobre la regeneración. <br/>En el último apartado del presente trabajo se ha evaluado la regeneración axonal motora en diferentes modelos de lesión y reparación asi como la evaluación de la regeneración motora y sensorial tras implante de raiz ventral o dorsal. De los resultados obtenidos cabe destacar como se pierde la topografía típica del nervio ciático tras sección del mismo y como se relaciona esta pérdida de la fasciculación con los resultados obtenidos a nivel funcional. Por otra parte, el injerto de una raíz ventral entre los segmentos de un nervio seccionado favorece la regeneración motora en las fases tempranas mientras que el injerto de una raíz dorsal afecta positivamente a la regeneración sensorial.

Regenerative electrodes are designed to interface a high number of nerve fibers by using an array of holes, with electrodes built around them, implanted between the severed stumps of a peripheral nerve. Applicability of regenerative electrodes is dependent on the success of axonal regeneration through the perforations or holes, the possibility of nerve damage from the mechanical load imposed by the electrode or from constrictive forces within the holes, and the biocompatibility of the components. <br/>In this work, we have evaluated the axonal regeneration through the regenerative electrodes implanted chronically between the severed stumps of the rat sciatic nerve. Results show that all the rats implanted with the sieve electrode had regenerated and reinnervated target organs. However, in a few cases decline of targer reinnervation and loss of regeneration nerve fibers was found from 6 to 12 months postimplantation, probably due to a compressive axonopathy. Motor axons regenerated scattered within minifascicles and the number of motor axons was markedly lower distally than proximally to the sieve electrode. These results are in relation with those obtained in the quantification of sensory neurons and motor neurons that regenerated through the sieve electrode. <br/>The next objective was the obtention of neural signals through the sieve electrode after functional and electrical stimulation of distal targets. Recordings were obtained from a low proportion of electrodes on the sieve in response to functional stimulation of the paw. Failures are mainly attributed to increase of the electrodes impedance and to breaks due to mechanical traction affecting the whole system during chronic implants.<br/>Next study was done to evaluated the long-term capabilities to maintain axonal regeneration in an experimental amputee model. Moreovere, we evaluated if it is possible to enhance axonal regeneration with Schwann cells (SCs) transplantation. Results showed that axons can sustain distal regenerated branches without degenerating for a long time and express functional features. A transplant of primary Schwann cells in the amputee model has positive effects, by stimulating the axonal growth response and the number of regenerating axons. SCs of an immortalized line are not able to induce axonal growth in a permisive environment such as the degenerated peripheral nerve. GDNF production by these cells favorably influences axonal regeneration. <br/>In the last work we evaluated motor nerve regeneration after peripheral nerve injury and strategies to improve selective nerve regeneration. Results showed that the normal fascicular architecture and fascicular pattern of motor axons are maintained after a sciatic nerve crush, but there are lost after nerve section and repair, when motor axons are scattered within small regenerated fascicles throughout the nerve. The loss of the fascicular organization signficantly correlates with the deficient recovery of motor function. Transplantation of a small predegeneraed nerve segment inside a silicone guide enhances axonal regeneration, leading to slightly faster and higher levels of target reinnervation. Regeneration of motor axons is promoted at early times by the motor graft, whereas reinnervation of sensory pathways is increased in the presence of the sensory graft.