Contributions to the development of a bio-electronic regenerative interface for the injured peripheral nerve

Abstract

Els dispositius neuroprostètics han anat evolucionant en els darrers anys amb l’objectiu de substituir o recuperar les funcions de extremitats en pacients amputats. No obstant, segons la literatura més actual, els avenços en tecnologies robòtiques van un pas endavant en comparació amb els encara limitats avenços en el món de les interfícies neurals com per poder fer un ús més fiable, generalitzat i assequible. Això, requereix principalment una millora dels “closed loops commands” per executar moviments en resposta a la percepció d’estímuls sensorials mitjançant la incorporació funcions motores i sensorials a la interfície. Un altre problema es la manca de tècniques que ens permetin l’accés a senyals sensorials i motores a alta resolució dirigides a màquines connectades a humans com ara braços robòtics. Per tant, com en estudis previs han descrit que els axons en regeneració poden ser guiats per diferents factors, ens vam centrar en el desenvolupament d’un electrode regeneratiu de dos canals d’alta resolució on les neurones motores i sensorials es poden interconnectar selectivament amb l’electrode per superar els problemes relacionats amb els “closed loop commands” en implants crònics. Per abordar aquest objectiu, ens vam centrar de manera separada en els diferents components i estratègies que combinats, podrien conformar en el futur la interfície regenerativa. El primer pas va ser el disseny d’un tub que es podria utilitzar en un futur per sostenir la interfície regenerativa. Els nostres resultats demostren que un nou tub fet de poli (etilen glicol tereftalat), també conegut com a Polyactive (PA), potencia la regeneració nerviosa en gaps llargs tal i com podem veure en el major nombre d’axons mielínics i millors resultats en la reinnervació motora, sensorial i autonòmica en comparació en un tub estàndard com el de silicona. D’altra banda, també ens va centrar en l’estudi de l’efecte de factors neurotròfics (NTF) i components de la matriu extracel·lular (ECM) per promoure tant una regeneració neuronal selectiva com un efecte d’atracció selectiu en neurones motores i sensorials. En estudis in vitro e in vivo vam observar que combinant laminina (LM) amb els factors neurotròfics NGF i NT-3 encapsulats en microesferes (MPs) promovíem la regeneració preferencialment de neurones sensorials, però no vam observar cap efecte d’atracció significatiu de neurones sensorials en estudis amb tubs bi-compartamentalitzats en comparació amb condicions control. D’altra banda, combinant fibronectina (FN) amb el factor neurotròfic BDNF, vam aconseguir promoure tant una regeneració preferencial de neurones motores com un efecte d’atracció. Finalment, vam realitzar estudis de biocompatibilitat i funcionalitat dels nous electrodes regeneratius de dos canals en implants aguts i crònics després de 3 mesos de regeneració. En estudis aguts, vam observar que aquest electrode era capaç de realitzar una estimulació selectiva de diferents fascicles així com un registre selectiu de senyals neurals després d’estimulació elèctrica (CNAPs) o estímuls tàctils naturals (ENG). En implants crònics,

Neuroprosthetic devices have been evolving in the last years in order to replace and restore limb functionality to amputee patients. However, at the current state of the art, the improvement in robotic technologies is not matched by a suitable neural interface technology for reliable, widespread and affordable use. There is need for closed loop commands for precise execution of movements by incorporating readout from sensory neurons, i.e. the integration of both sensory neuron (SN) and motorneuron (MN) functions on the interfacial device. A second issue is the lack of techniques for providing access to high resolution MNs and SNs signals, targeting man-machine devices such as robotic arms. Due to growth cones of regenerating nerve fibres can be chemically guided, we focused on the development of a high-resolution double-aisle regenerative interface ensemble in which motor and sensory axons are specifically interfaced to solve issues related with closed loop commands for chronic implants. For that purpose, different components of such a high-resolution planar regenerative interface were studied in the experimental work made in this thesis separately in order to combine them in future studies. First, we focused in the design of the tube that could be a good candidate to use as a scaffold for the regenerative interface. Our results demonstrates that new design of tubes made of poly(ethylene glycol terephthalate), named Polyactive (PA), enhance nerve regeneration in long gaps evidenced by the higher number of myelinated axons, better outcomes in motor, sensory and autonomic reinnervation compared with the standard silicone tube. After that, we focus on the study of the role of neurotrophic factors (NTFs) and extracellular matrix components (ECM) to selectively promote regeneration of motor and sensory neurons and the effects these molecules have in guidance of regenerating axons. In vitro and in vivo studies we observed that combining laminin (LM) with encapsulated NGF/NT-3 in PLGA microspheres (MPs) preferentially enhance sensory neuron regeneration. However, this condition did not significantly attract more sensory regenerating neurons compared with control conditions in axonal guidance studies with bicompartmental tubes. On the other hand, fibronectin (FN) with encapsulated BDNF preferentially enhance motor neuron regeneration and also attract them after the implant of bicompartmental tubes. Finally, we studied the biocompatibility and functionality of novel double-aisle regenerative interface following an acute implantation and after 3 months of nerve regeneration. In acute implants, we observed that this device was able to perform selective stimulation on different fascicles and also record sensory afferent signals both after external electrical stimulation (CNAPs) or natural tactile stimuli (ENG). Although some limitations were detected in chronic implants, planar regenerative electrode maintained the capacity to perform selective stimulation of reinnervated muscles and to record afferent signals from distal targets. Resum Els dispositius neuroprostètics han anat evolucionant en els darrers anys amb l’objectiu de substituir o recuperar les funcions de extremitats en pacients amputats. No obstant, segons la literatura