Experimentelle Modelle für selektive Nerventransfers der oberen Extremität: Modellbeschreibung und neurophysiologische Effekte

Zusammenfassung

Einleitung Nerventransfers werden in der rekonstruktiven Chirurgie eingesetzt um denervierte Muskeln zeitnahe zu reinnervieren. Obwohl sie zunehmend in der Klinik eingesetzt werden, sind die neurobiologischen Grundlagen nur unzureichend erforscht. Essentiell ist hierfür ein realistisches Tiermodel an der oberen Extremität, da Nerventransfers klinisch hauptsächlich hier routinemäßig angewandt werden. Diese Arbeit stellt adulte und neonatale Rattenmodelle vor, bei denen durch einen Nerventransfer des N. ulnaris die Ellbogenflexion wiederhergestellt wurde.

Methoden Basierend auf anatomischen Studien in 10 adulten und 5 neonatalen Sprague-Dawley Ratten wurde ein Modell kreiert bei dem der M. biceps brachii durch einen Nerventransfer des N. ulnaris reinnerviert wird. Anschließend wurde in 40 Ratten (30 adulte und 10 neonatale) das Caput laterale des M. biceps mittels Transfer des N. ulnaris bzw. des R. profundus n. ulnaris (RPF) reinnerviert und nach 12 Wochen Regenerationszeit hinsichtlich funktioneller Parameter wie der Muskelkraft und des Muskelgewichtes evaluiert.

Ergebnisse Alle Ratten wiesen eine konstante neuronale Anatomie auf und auch in Neonaten war der supermikrochirurgische Nerventransfer reproduzierbar. Alle Nerventransfers reinnervierten den M. biceps brachii und konnten hinsichtlich funktioneller Parameter evaluiert werden. Hier zeigte sich eine Regeneration der Muskelkraft von 2,47 + 0,25 N bei einem Muskelgewicht von 313,8 + 0,25 mg in der Ulnaris-Transfer Gruppe. In der RPF-Transfer Gruppe lag der Wert bei 1,96 + 0,65 N bzw. 226,7 + 0,65 mg und die neonatale Gruppe erreichte 1,1 + 0,23 N Muskelkraft bei 85,5 + 0,23 mg Muskelgewicht. Die nativen Kontrollen ergaben 2,78 + 0,24 N an Kraft bei 325,6 + 0,24 mg Muskelgewicht.

Diskussion Um der klinischen Translation gerecht zu werden, bedarf es eines geeigneten Tiermodelles der oberen Extremität. Alle hier gezeigten Modelle waren anatomisch konstant und mikrochirurgisch reproduzierbar. Es zeigte sich eine erfolgreiche Regeneration in allen Gruppen nach den jeweiligen Nerventransfers. Die Unterschiede zwischen den Gruppen lassen sich durch die verschiedene Anzahl an Spenderaxonen erklären. Des Weiteren, scheint die neuronale Plastizität des Neonaten einen Einfluss auf das Regenerationspotential zu nehmen. Schlussfolgerung: Die hier gezeigten Modelle bilden eine Basis zur Evaluation der Veränderungen von Nerventransfers auf allen Ebenen der motorischen Einheit.

Abstract

Introduction Nerve transfers are an important tool to restore muscle function. Despite their popularity in reconstructive surgery, their effects on the motor unit remain largely unknown. Therefore, a realistic animal model is needed for the upper extremity, which is where the majority of nerve transfers are conducted. This work shows different upper extremity nerve transfer models in the rat, where elbow flexion was restored with different types of nerve transfer in adult and neonatal rats.

Methods Anatomy and microsurgical feasibility was first evaluated in 10 adult and 5 neonate Sprague Dawley rats. In 40 rats (30 adult and 10 neonate), a nerve transfer of the whole ulnar nerve or just the deep branch was performed to reinnervate the long head of the biceps muscle. After 12 weeks of regeneration, the transfer was evaluated for functional aspects such as muscle force and weight.

Results Neural anatomy was constant in all rats. All nerve transfers were successful and functional analyses showed a maximum tetanic muscle force of 2.47 + 0.25 N after an ulnar nerve transfer. Deep branch transfers achieved 1.96 + 0.65 N, and neonates achieved 1.1 + 0.23 N. Control side was 2.78 + 0.24 N. The muscle weight was 325.6 + 0.24 mg for the control, 313.8 + 0.25 mg after UN transfer, 226.7 + 0.65 mg after deep branch transfer and 85.5 + 0.23 mg for neonates.

Discussion For proper clinical translation, an upper extremity model is needed. Successful reinnervation in all groups was demonstrated, which indicates an excellent model for future research. Variations in functional parameters are likely the effect of different donor axon ratios. Neuronal plasticity also appears to play a major role in the regeneration potential. Conclusion: This work illustrates several animal models to further investigate nerve transfers on all levels of the motor unit.

Schlüsselwörter

selektiver Nerventransfer - Tiermodell - obere Extremität - Körperregion und Anatomie - Nervenregeneration - Experimentelle Chirurgie

Key words

selective nerve transfer - animal model - upper extremity - nerve regeneration

^* die beiden erstgenannten Autoren haben zu gleichen Teilen beigetragen

• Literatur

• 1 Tung TH, Mackinnon SE. Nerve transfers: indications, techniques, and outcomes. The Journal of hand surgery 2010; 35: 332-341
• 2 Fox IK, Mackinnon SE. Adult peripheral nerve disorders: nerve entrapment, repair, transfer, and brachial plexus disorders. Plastic and reconstructive surgery 2011; 127: 105e-118e
• 3 Moore AM, Novak CB. Advances in nerve transfer surgery. Journal of hand therapy : official journal of the American Society of Hand Therapists 2014; 27: 96-104 quiz 105
• 4 Aszmann OC, Dietl H, Frey M. [Selective nerve transfers to improve the control of myoelectrical arm prostheses]. Handchirurgie, Mikrochirurgie, plastische Chirurgie : Organ der Deutschsprachigen Arbeitsgemeinschaft fur Handchirurgie : Organ der Deutschsprachigen Arbeitsgemeinschaft fur Mikrochirurgie der Peripheren Nerven und Gefasse 2008; 40: 60-65
• 5 Aszmann OC, Roche AD, Salminger S. et al. Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. Lancet (London, England) 2015; 385: 2183-2189
• 6 Bergmeister KD, Vujaklija I, Muceli S. et al. Broadband Prosthetic Interfaces: Combining Nerve Transfers and Implantable Multichannel EMG Technology to Decode Spinal Motor Neuron Activity. Frontiers in neuroscience 2017; 11: 421
• 7 Fox IK. Nerve Transfers in Tetraplegia. Hand clinics 2016; 32: 227-242
• 8 Kuiken T. Targeted reinnervation for improved prosthetic function. Physical medicine and rehabilitation clinics of North America 2006; 17: 1-13
• 9 Kuiken TA, Dumanian GA, Lipschutz RD. et al. The use of targeted muscle reinnervation for improved myoelectric prosthesis control in a bilateral shoulder disarticulation amputee. Prosthetics and orthotics international 2004; 28: 245-253
• 10 Bergmeister KD, Aman M, Riedl O. et al. Experimental nerve transfer model in the rat forelimb. European Surgery. 2016 1-8
• 11 Wood MD, Kemp SW, Weber C. et al. Outcome measures of peripheral nerve regeneration. Annals of anatomy = Anatomischer Anzeiger : official organ of the Anatomische Gesellschaft 2011; 193: 321-333
• 12 Scholz T, Krichevsky A, Sumarto A. et al. Peripheral nerve injuries: an international survey of current treatments and future perspectives. Journal of reconstructive microsurgery 2009; 25: 339-344
• 13 Schott GD. Penfield‘s homunculus: a note on cerebral cartography. Journal of neurology, neurosurgery. and psychiatry 1993; 56: 329-333
• 14 Korak KJ, Tam SL, Gordon T. et al. Changes in spinal cord architecture after brachial plexus injury in the newborn. Brain : a journal of neurology 2004; 127: 1488-1495
• 15 Nevalainen Convenor T, Blom HJ, Guaitani A. et al. FELASA recommendations for the accreditation of laboratory animal science education and training. Laboratory animals 2002; 36: 373-377
• 16 Cho YR, Pawela CP, Li R. et al. Refining the sensory and motor ratunculus of the rat upper extremity using fMRI and direct nerve stimulation. Magnetic resonance in medicine 2007; 58: 901-909
• 17 den Dunnen WF, Meek MF. Sensory nerve function and auto-mutilation after reconstruction of various gap lengths with nerve guides and autologous nerve grafts. Biomaterials 2001; 22: 1171-1176
• 18 Li R, Hettinger PC, Machol JA. et al. Cortical plasticity induced by different degrees of peripheral nerve injuries: a rat functional magnetic resonance imaging study under 9.4 Tesla. Journal of brachial plexus and peripheral nerve injury 2013; 8: 4
• 19 Oberlin C, Beal D, Leechavengvongs S. et al. Nerve transfer to biceps muscle using a part of ulnar nerve for C5-C6 avulsion of the brachial plexus: anatomical study and report of four cases. The Journal of hand surgery 1994; 19: 232-237
• 20 Cederna PS, Youssef MK, Asato H. et al. Skeletal muscle reinnervation by reduced axonal numbers results in whole muscle force deficits. Plastic and reconstructive surgery 2000; 105: 2003-2009 discussion 2010–2001
• 21 Gesslbauer B, Hruby LA, Roche AD. et al. Axonal components of nerves innervating the human arm. Annals of neurology 2017; 82: 396-408