By browsing our site you agree to our use of cookies. You will only see this message once.

Find out more

Xander Smit - Struggle At The Site Of Nerve Injury

Terug
 
Samenvatting

Om het klinische herstel na letsel van een perifere zenuw te verbeteren, moet zowel patiënt als chirurg de strijd winnen ter plaatse van het zenuwletsel. Dit promotieonderzoek is opgezet met als doelstelling (patho)fysiologische processen, die zich afspelen op de plek van het letsel, in kaart te brengen en in maat en getal uit te kunnen drukken. Een groeiende kennis op het gebied van de (patho)fysiologie van de neurobiologie heeft zich de afgelopen decennia maar deels vertaald in een klinisch functionele verbetering na perifeer zenuwletsel. Het proefdiermodel speelt een cruciale rol in deze vertaalslag. Klinisch onderzoek op het gebied zenuwletsel wordt bemoeilijkt door heterogeniteit van letsels en patiëntenpopulatie. Gerichte en kwantitatieve evaluatietechnieken van perifeer zenuwletsel in een proefdiermodel maken de uiteindelijke vertaalslag naar de kliniek kleiner en/of makkelijker.

In hoofdstuk 1 wordt de fysiologie en pathosfysiologie van het perifere zenuwstelsel besproken, waarbij speciale aandacht uitgaat naar fundamentele problemen gerelateerd aan de plaats van het zenuwletsel. De nervus ischiadicus van de rat is een veel gebruikt experimenteel model voor het evalueren van perifeer zenuwletsel. Dit hoofdstuk omvat een kritisch overzicht van experimentele technieken die beschikbaar zijn voor de evaluatie van perifeer zenuwletsel in het rattenmodel. Grofweg worden de evaluatietechnieken onderverdeeld naar histologie, neurofysiologie, functie van eindorganen en biomechanica.

In dit proefschrift vindt een vergelijking plaats tussen evaluatietechnieken van functioneel herstel van eindorganen (zoals voetafdruk analyse), en axonregeneratie (zoals geleidingscapaciteit). Daarnaast worden de biomechanische eigenschappen onderzocht van perifere zenuwen onder fysiologische omstandigheden. De rekeigenschappen van een zenuw zijn van groot belang bij het chirurgisch herstel van zenuwletsel, in het bijzonder indien er een defect b estaat tussen twee zenuwuiteinden. De biomechanica wordt ook gebruikt bij het ontwikkelen van een model waarin neurale verklevingen kunnen worden gekwantificeerd voor het testen van anti-verkleving strategieën.

De studie in hoofdstuk 2 is opgezet met als doelstelling het evalueren en valideren van verschillende methoden van functie analyse na zenuwletsel gebruikmakend van voetafdrukken. Het looppatroon van de rat geldt al jaren als functionele maat voor herstel van de zenuw in een rattenmodel. De meest gangbare techniek van voetafdruk analyse is ‘Walking Track Analysis’. Hierbij worden middels verf, inkt of (digitale) video opnames diverse voetafdruk parameters vastgelegd van een lopende rat, uiteindelijk resulterend in de ‘Sciatic Function Index’ (SFI). Een nadeel van deze methode is o.a. het tijdrovende aspect. Een vereenvoudigde methode van deze functie analyse is de statische voetzool analyse. De studie in dit hoofdstuk laat een uitstekende correlatie zien tussen de tijdrovende SFI en de meer tijd efficiënte statische voetzool analyse ter evaluatie van functieherstel na letsel van de nervus ischiadicus van de rat. In 2000 introduceerde Bervar een nieuw, betrouwbaar en statisch alternatief voor ‘Walking Track Analysis’, resulterend in de ‘Static Sciatic Index’ (SSI). De winst van deze digitale statische videotechniek wordt behaald door het gemak en snelheid waarmee de benodigde voetafdrukken kunnen worden verzameld. Deze studie bevestigt de efficiëntie van de statische techniek en laat bovendien zien dat de ‘static Toe Spread Factor’ (static TSF) de voorkeur heeft boven de uitkomst van de SSI. De aanvullende waarde van de SSI boven de ‘static TSF’ kan namelijk niet worden bewezen en de berekening van de ‘static TSF’ is gemakkelijker dan die van de SSI. In de introductie is reeds beschreven dat de functie van het eindorgaan, zoals bepaald met bijvoorbeeld voetafdruk analyse, slechts van relatieve waarde is bij experimentele studies naar fundamentele problematiek ter plaatse van het zenuwletsel. Het herstel van eindorgaan functie is namelijk afhankelijk van te veel factoren die niet gerelateerd zijn aan de plaats van het zenuwletsel.

Wij concluderen dat voetzool analyse alleen als supplementaire evaluatie techniek van perifeer zenuwletsel gebruikt moet worden, daar het slechts een indirecte uitkomstmaat geeft van het herstelproces ter plaatse van het trauma. Statische voetzool analyse is vergelijkbaar met de traditionele ‘Walking Track Analysis’, maar is te prefereren daar het minder tijd in beslag neemt.

De doelstelling van hoofdstuk 3 is het ontwikkelen en valideren van een opstelling waarin de geleidingscapaciteit van de ra t ten zenuw gekwantificeerd kan worden . Neurofysiologische metingen in kleine proefdieren die in vivo verricht worden zijn ernstig onderhevig aan artefacten, o.a. veroorzaakt door korte en variërende geleidingsafstanden en temperatuurwisselingen. In deze studie wordt een opstelling ontwikkeld waarbij, in een ex vivo setting, in een meetkamer zeer accurate magnetoneurografische metingen (MNG) kunnen worden verricht op de nervus ischiadicus van de rat. Bifasische stimulatie en optimale aarding zorgen voor een forse reductie van het stimulus artefact. De lage variabiliteit (<5%) van de MNG signalen bewijst dat het ontwerp van de meetkamer zorg draagt voor precieze en reproduceerbare metingen. Een inherent effect van neurofysiologische ex vivo metingen is de uitdoving van het signaal in de tijd. Deze studie laat zien dat de gepresenteerde opstelling een overlevingstijd van de MNG signalen waarborgt van minimaal twee uur, hetgeen genoeg tijd is voor meerdere MNG metingen.

Ook electroneurografische metingen (ENG) kunnen in een ex vivo bad worden verricht. Het voordeel van MNG boven ENG metingen is dat magnetische velden nauwelijks worden beïnvloed door de weerstand van vocht en of weefsel tussen de sensor en de zenuw. Dit leidt tot een verhoogde reproduceerbaarheid van de MNG signalen.

De conclusie van dit hoofdstuk is dat ex vivo MNG metingen betrouwbaar de geleidingscapaciteit van de zenuw kunnen kwantificeren. Ongeacht het type meting (elektrisch of magnetisch) benadrukken wij de voordelen van neurofysiologische ex vivo metingen boven in vivo metingen in kleinere proefdiermodellen.

Hoofdstuk 4 beschrijft het herstelpatroon in de tijd na doorsnijding en herstel van de nervus ischiadicus van de rat, weergeven in neurofysiologische kenmerken en weergegeven in functie van eindorganen. In eerdere onderzoeken naar de relatie tussenneurofysiologie en andere experimentele evaluatietechnieken van perifeer zenuwletsel, is altijd gebruik gemaakt van conventionele electroneurografie (ENG) en / of electromyografie.

Met de ex vivo MNG techniek uit hoofdstuk 2 kunnen krachtigere conclusies worden getrokken over de relatie tussen neurofysiologie en de functie van eindorganen, zoals static TSF en spiergewicht (MW).

Deze studie laat zien dat het herstel van neurofysiologische parameters als 1e piek amplitude (1PA), piek piek amplitude (PPA), oppervlakte van het signaal (A) en geleidingssnelheid (CV) voor een groot deel plaats vindt in de eerste weken van het regeneratieproces. Neurofysiologische eigenschappen van een zenuw veranderen met de leeftijd, hetgeen ook wordt aangetoond in dit hoofdstuk. Wij benadrukken daarom de noodzaak voor rechts - links vergelijkingen in longitudinale neurofysiologische studies, waardoor de invloed van het leeftijdsaspect wordt meegenomen in de evaluatie. Er bestaat slechts een matige correlatie tussen functie (static TSF) en geleidingscapaciteit (MNG). Dit kan worden verklaard door het verschil in herstelpatronen in de tijd, welke worden uitgedrukt in static TSF en de verschillende MNG parameters. Het is duidelijk dat het herstelproces van static TSF na 10 weken stagneert, terwijl na deze periode de MNG parameters nog wel een significante toename laat zien. Het regeneratieproces gaat dus door op het moment dat functieherstel gemeten door static TSF stagneert.

Het lijkt waarschijnlijk dat het spreiden van de tenen door de rat al kan worden bereikt, bij ingroei van relatief weinig of matig ontwikkelde axonen. De functie van eindorganen, zoals gemeten met de static TSF is slechts van geringe waarde bij de evaluatie van axongroei na zenuwletsel.

Een groot en bekend nadeel van voetzool analyse (statisch of dynamisch) is de uitval van proefdieren door contracturen en / of automutilatie. Deze studie laat geen relatie zien tussen uitval door contracturen en / of automutilatie, en verminderde geleidingscapaciteit. Een mogelijke bias, als gevolg van exclusie van proefdieren, wordt daarom uitgesloten.

Er bestaat een duidelijke en significante relatie tussen spiergewicht, welke samenhangt

met reïnnervatie van de spier, en de geleidingscapaciteit van een zenuw.

Desalniettemin, bestaat er geen significante relatie tussen spiergewicht en static TSF. Blijkbaar zijn deze twee indirecte uitkomstmaten totaal verschillende afgeleiden van het regeneratieproces. Onze aanbeveling is dat bij experimentele studies naar axonregeneratie na zenuwletsel, beter een direct afgeleide van het regeneratieproces gebruikt kan worden, zoals bijvoorbeeld MNG.

De studie in hoofdstuk 5 beschrijft de verdeling van rek over het verloop van een zenuw en met betrekking tot de gewrichten. Tijdens fysiologische bewegingen (flexie en extensie) ondergaat een zenuwsegment ter plaatse van een gewricht (gewrichtsregio) meer verandering in lengte, dan een zenuwsegment lopend in een niet-gewricht regio.

Rektesten van geïsoleerde stukken zenuw uit beide regio’s tonen aan dat de zenuw minder stijf is in een gewrichtsregio. Bovengenoemde bevindingen bewijzen dat er niet slechts een grotere belasting bestaat op het zenuwsegment ter plaatse van een gewricht; er moet echter ook een verschil bestaan in biomechanische eigenschappen van de zenuwsegmenten in beide regio’s.Dit resulteert in een grotere compliantie van de zenuw in een gewrichtsregio. Histologie laat zien dat dit verschil niet kan worden verklaard door structurele verschillen in de fascikel / niet fascikel weefselverdeling.

In de kliniek zijn de rekeigenschappen van een zenuw van groot belang bij het chirurgisch herstel van een zenuw, in het bijzonder als er een defect (‘nerve gap’) bestaat wat overbrugd moet worden. Het kritieke punt, waarop besloten moet worden dit zenuwdefect ‘end to end’ te herstellen, of juist met een interponaat te overbruggen, is discutabel. Gezien de resultaten van deze studie is het duidelijk dat de besluitvorming hierover niet uitgedrukt kan worden in centimeters zenuwdefect of in percentage van het vrij geprepareerde zenuwsegment.

In hoofdstuk 6 is een experimentele studie verricht naar neurale verklevingen. De vorming van adhesies is een groot probleem op het gebied van perifeer zenuwletsel, zich klinisch uitend in functieverlies en ernstige pijnsyndromen. Het scoren van zenuwverklevingen in een experimentele setting is niet eenvoudig. Histologie en chirurgische beoordeling van het wondgebied worden veel gebruikt in de literatuur, maar hebben grote tekortkomingen zoals beschreven in de introductie van dit proefschrift. Voor deze studie is een biomechanisch model ontworpen waarin verklevingen tussen zenuw en omliggend weefselbed (extraneurale littekenvorming) worden gekwantificeerd aan de hand van de kracht die nodig is om de verkleving te breken. Er wordt aangetoond dat bij een toename in de ernst van het trauma, er significant meer kracht nodig is om de ontstane verklevingen te breken. Met het beschreven biomechanische model kunnen dus objectief en kwantitatief zenuwverklevingen worden gescoord. Het chirurgisch beoordelen van de wond ter evaluatie van extraneurale littekenvorming moet worden beschouwd als een inferieure techniek.

Hyaluronzuur (HA) is een glycosaminoglycaan in de extracellulaire matrix. HA speelt een belangrijke rol in diverse biologische processen van weefselherstel en heeft reeds aangetoond een anti-adhesieve werking te hebben op andere chirurgische gebieden. HA-gel (Hyaloglide, Fidia Advanced Biopolymers Srl, Abano Terme, Italy) is een viskeuze gel op basis van water en HA, en is ontwikkeld als een anti-verkleving strategie. Het ontwikkelde biomechanische model toont aan dat er een significant verlagend effect op de neurale verklevingen optreedt, indien HA-gel wordt gebruikt na verschillende soorten trauma van de perifere zenuw. In de literatuur worden meerdere experimentele strategieën beschreven die een anti-adhesief effect hebben na perifeer zenuwletsel. Dit heeft echter nog niet geleid tot een klinisch gerandomiseerde studie waarin dit effect wordt bewezen. De haalbaarheid van een goed opgezette klinische studie naar zenuwverklevingen is ook discutabel. De klinische implementatie van anti-adhesieve strategieën zou al overwogen moeten worden op het moment dat toxiciteit en andere neveneffecten zijn uitgesloten en er goede experimentele studies aan ten grondslag liggen.

Het doel van hoofdstuk 7 was het bestuderen van het effect van RGTAs op extraneurale verklevingen en op de regeneratie van axonen na crush trauma van de perifere zenuw. ReGeneraTing Agents (RGTAs) bevatten de stabiliserende en beschermende eigenschappen van heparine sulfaat op heparine bindende groeifactoren (HBGFs). In eerdere experimentele studies o.a. op het gebied van bot regeneratie, huidgenezing, darmnaden en spierregeneratie hebben RGTAs bewezen een positief effect te hebben op weefselherstel.

Met behulp van het biomechanische model uit hoofdstuk 6 wordt aangetoond dat RGTAs een significant reducerend effect hebben op neurale verklevingen na crush trauma van de perifere zenuw. De resultaten van deze studie tonen noch een positieve noch een negatieve werking aan op het herstel van geleidingscapaciteit van de zenuw, welke werd bepaald met MNG metingen (hoofdstuk 3 & 4). Ook werd er geen verschil gezien in het herstelpatroon van de static TSF (hoofdstuk 2) in de zes weken na het trauma. Een voorzichtige vergelijking van de resultaten uit hoofdstuk 6 & 7 laat zien dat, na crush trauma van de perifere zenuw, het gebruik van HA-gel een reductie in breekkracht bewerkstelligt van 29% en het gebruik van RGTAs een reductie in breekkracht bewerkstelligt van 67%.Een mogelijke synergetische werking van beide strategieën zou nader onderzocht moeten worden.

In hoofdstuk 8 worden na de discussie de belangrijkste conclusies uiteengezet. Tevens wordt een voorzet gegeven voor toekomstig experimenteel onderzoek naar perifeer zenuwletsel.

Main conclusions of this thesis:

From the studies performed in our experimental rat model, the following conclusions can be drawn:

- Static TSF derived from digitized static footprint analysis reveals identical information on function of target organs as SFI derived from the more time consuming(digitized) walking track analysis.

- MNG of rat sciatic nerve in an ex vivo recording chamber can reliably quantify the nerve’s conduction capacity, from early on in the regeneration process.

- Despite isolation of the nerve, (ex vivo) viability is assured for at least 2 hours after dissection using the described recording chamber.

- After sciatic nerve injury recovery patterns as assessed by MNG (direct measure of axon regeneration) and by MW and static TSF (indirect measures of axon regeneration) vary significantly.

- The process of regeneration does not stop when functional recovery, as measured by footprint analysis becomes stagnant.

- When studying axon growth after nerve injury, the function of target organs, as measured by footprint analysis, is only of relative value.

- No relation exists between poor conduction capacity, and autotomy and contractures. - For studies of nerve fiber regeneration after injury, the use of a direct measure, i.e. conduction capacity, of the regeneration process is recommended over indirect measures, i.e. muscle weight and footprint analysis.

- At articulations, peripheral nerves exhibit increased strain during limb movement and decreased stiffness.

- The localised heterogeneity of tensile properties is not related to fascicular/nonfascicular tissue architecture.

- Biomechanical assessment enables a quantitative and objective measure of neural adhesions and is to be preferred over surgical evaluation of the wound.

- Hyaloglide en RGTA are both effective in reducing neural adhesions after nerve injury

- Hyaloglide effectuates a faster recovery process of the static TSF after nerve injury

- After nerve injury, RGTA does not have an effect on the recovery of static TSF and on the recovery of conduction capacity.

- The struggle at the site of nerve injury can well be studied in a rat sciatic nerve model.

 Research Perspectives:

The general aim of this thesis was to quantify physiological and pathophysiological processes, associated with the site of a possible nerve injury, in the rat sciatic nerve model. Validated experimental methods providing quantifiable outcome data can provide solid evidence for potential beneficial strategies to promote recovery after peripheral ner ve injury. It is not feasible to review all future possibilities in this field of research. However, a few research perspectives can be summarized, which are directly related to this thesis:

- In future experimental studies on promotion of recovery after nerve injury, the type of assessment technique should carefully be considered. A quantifiable measure is preferred, which is directly related to the hypothesis of the experiment.

- Experimental research using magnetoneurography requires an investment in technical knowledge. The financial aspects of the recording set up are comparable to other conventional neurophysiological methods. When deciding to perform neurophysiological measurements as an assessment method, ex vivo measurements are preferable over conventional electrophysiology.

- Proving beneficial effect of antiadhesion therapies in randomized clinical trials is rarely feasible. Negative side effects of antiadhesion strategies should be avoided and disclosed. Then, when experimental evidence of antiadhesion strategies is clear, one should consider clinical use without testing in randomized clinical trials.

- The localised heterogeneity of tensile properties is not related to fascicular/nonfascicular tissue architecture. Further studies should be planned to investigate differences in collagen architecture in different regions of a nerve which could account for the local differences in tensile properties.

- After nerve injury, Hyaloglide has an antiadhesion effect and accelerates recovery of static TSF. The working mechanisms of the findings remain unrevealed in this thesis. The exact antiadhesion working mechanism of Hyaloglide should be further investigated. Furthermore, it is interesting to know whether the acceleration of recovery of static TSF is due to increased conduction capacity or due to better gliding properties of the nerve.

- After nerve injury, RGTA has an antiadhesion effect but no effect on the recovery of conduction capacity. We emphasize that the study on RTGA includes only one time point and one type of trauma (crush). The effect of RGTA on recovery of conduction capacity after different types of injury and the effect on intra neural scarring should further be investigated.

- Hyaloglide is locally applied to the injured nerve. Therefore, its effect will be accomplished within early days after nerve injury. RGTA can be applied locally and systemically. RGTA may have a longer time range in which its antiadhesion effect is successful. This possible synergy of Hyaloglide and RGTA should be further investigated.
Powered By: webCiters