Способ моделирования лечения больных с двигательными и висцеральными расстройствами на лабораторных животных. Российский патент 2021 года по МПК G09B23/28 A61N1/32 

Изобретение относится к экспериментальной медицине, а также к физиологии движений и электрофизиологии, может быть использовано для лечения и реабилитации пациентов с нейромоторными и висцеральными расстройствами.

Заболевания и повреждения спинного мозга разной этиологии (травма, опухоли, лучевые повреждения и др.) представляют собой комплексную медико-социальную проблему (40-80 случаев/1млн чел/год), решение или снижение бремени которой связано с огромными материальными затратами. Количество таких больных во всем мире ежегодно увеличивается. При поражения головного и спинного мозга развивается частичная обездвиженность. Из-за нарушения нейронального контроля, кроме паралича конечностей, возникают дисфункции мочевого пузыря и других тазовых органов. При этом расстройство функции мочевого пузыря является наиболее тяжелым (вплоть до летального) осложнением, которое существенно снижает качество жизни и лимитирует социальную и трудовую активность человека. Несмотря на постоянно создаваемые новые методы лечения и реабилитации, проблема восстановления движения конечностей остается нерешенной. Утрата способностей к передвижению вызывает многочисленные соматические нарушения, способствует прогрессированию урологических, трофических, сердечно-сосудистых расстройств. Это снижает продолжительность и качество жизни инвалидов, приводит к огромным государственным затратам на их лечение и дополнительный уход. Несмотря на высокую актуальность, проблема остается нерешенной, что во многом обусловлено неизученностью спинальных механизмов регуляции движений и возможностей их активации внешними воздействиями. Нарушения работы нижних мочевыводящих путей, в т.ч. функции накопления мочи и мочеиспускания, также широко распространены среди пациентов с поражением спинного мозга. Однако на сегодняшний день нет эффективного способа лечения нейрогенного мочевого пузыря и восстановления мочевыделительной функции.

Во всем мире продолжаются научные исследования, в том числе, моделирование лечения спинальных больных на лабораторных животных, направленные на восстановление двигательных способностей при повреждении спинного мозга (Новые нейрореабилитационные технологии: от эксперимента в клинику. Новосибирск, 2018. 100 с., ISBN 978-5-6041549-2). Один из наиболее перспективных подходов основывается на искусственном управлении и тренировке нейронных сетей спинного мозга, которые могут генерировать локомоторные паттерны (Training locomotor networks. Brain Res Rev. 2008. Vol.57. P.241–254). Как экспериментальные, так и клинические работы показали обнадеживающие результаты, свидетельствующие о нейропластичности спинальных сетей и возможности вызывать высокий уровень их активности при электрической стимуляции (Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study // Lancet. 2011. Vol.377. P.1938–1947.).

На сегодняшний день исследователи уделяют особое внимание эпидуральной стимуляции (ЭС) для восстановления двигательных функций при поражении спинного (A computational model for epidural electrical stimulation of spinal sensorimotor circuits. J Neurosci. 2013. Vol. 33. P. 19326-40) и головного мозга (Effects of spinal cord stimulation on postural control in Parkinson's disease patients with freezing of gait // Elife. – 2018. – Vol. 7. – P. e37727.). Установлено, что стимуляция поясничных или крестцовых сегментов может активировать спинальные сети и приводить к улучшению функции ходьбы у крыс, кошек и человека (Новые нейрореабилитационные технологии: от эксперимента в клинику. Новосибирск, 2018. 100 с., ISBN 978-5-6041549-2). Локомоция по движущейся ленте тредбана вызывалась при тонической ЭС у хронических спинальных крыс (Plasticity of spinal cord reflexes after a complete transaction in adult rats: relationship to stepping ability // J Neurophysiol. – 2006. – Vol.96. – P.1699–1710) и децеребрированных кошек (Distribution of Spinal Neuronal Networks Controlling Forward and Backward Locomotion. J Neurosci. 2018 May 16;38(20):4695-4707. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2951-17.2018. Epub 2018 Apr 20.). Локомоторную активность парализованных конечностей у пациентов с тяжелым повреждением спинного мозга удавалось вызвать в ответ на стимуляцию поясничных сегментов (Spinal locomotor generators in humans: problems in assessing effectiveness of stimulations. Med Tekh. 1998. Vol.4. P.24-7). Клинические работы, в которых эпидуральная стимуляция использовалась во время регулярных тренировок (Epidural spinal-cord stimulation facilitates recovery of functional walking following incomplete spinal-cord injury.IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2004 Mar;12(1):32-42. doi: 10.1109/TNSRE.2003.822763.), дают возможность полагать, что такой подход стимулирует нейропластические изменения, способствуя восстановлению локомоторной функции, в том числе, у пациентов с тяжелыми формами повреждения спинного мозга и полной моторной плегией (Neuromodulation of lumbosacral spinal networks enables independent stepping after complete paraplegia // Nat Med. – 2018. doi: 10.1038/s41591-018-0175-7).

Нейронные механизмы, лежащие в основе инициации локомоторной активности при электростимуляции спинного мозга, во многом неясны. Электрофизиологические записи и компьютерное моделирование (A computational model for epidural electrical stimulation of spinal sensorimotor circuits. J Neurosci. 2013. Vol. 33. P. 19326-40) позволяют предположить, что механизмом такого метода является стимуляция афферентных входов в дорсальной части спинного мозга и дорсальных корешков. Через усиление афферентного входа достигается эффект тонической активации локомоторных нейрональных сетей спинного мозга, к которым проецируются соответствующие афферентные пути.

В настоящее время известны различные способы лечения больных с двигательными расстройствами с помощью ЭС спинного мозга.

Известен «Способ лечения больных с поражением спинного мозга» (патент RU 2204423), включающий эпидуральную электростимуляцию поясничного утолщения спинного мозга с эффектом координированных локомоторных движений, вызываемых при облегченном положении больного, лежащего на спине или на боку с подвешенными на балканских рамах ногами. При этом пациенты осуществляют процедуры самостоятельно с помощью имплантированной на постоянной основе системы для хронической стимуляции, включающей пару проволочных электродов, установленных на уровне Тh12-L1 позвонков, соединенных с погружной частью стимулятора - приемником, имплантированным в переднюю брюшную стенку, и наружно расположенный передатчик, который связан индуктивной связью с приемником. Стимуляцию осуществляют импульсами тока прямоугольной формы длительностью 0,5-1 мс, амплитудой 0,1-7 мА, с индивидуально подобранной частотой в диапазоне 2-100 Гц, обеспечивающей координированный «шагательный» характер вызванных электростимуляцией движений ног.

Недостаток данного способа заключается в том, что он является инвазивным и состоит в наложении стимулирующих электродов на поверхность твердой мозговой оболочки спинного мозга с последующей электрической стимуляцией спинного мозга ниже уровня поражения. Реализация этого метода лечения требует сложного оперативного вмешательства для постановки электродов и специфического медицинского обслуживания на весь период работы стимулирующих электродов на поверхности спинного мозга для предотвращения воспалительных реакций, отторжения электродов и др.

К сожалению, известные на сегодняшний день способы ЭС отличаются высокой инвазивностью, что ограничивает показания применения у пациентов и имеет соответствующие риски. Существует также способ неинвазивной ЭС (патент RU 2529471), который заключается в воздействии на спинной мозг при положении стимулирующих электродов на коже, что позволяет ускорить процесс реабилитации, увеличить амплитуду и улучшить координацию вызываемых движений. Однако накожная стимуляция характеризуется меньшей специфичностью в рекрутировании спинальных сенсомоторных сетей по сравнению с эпидуральной стимуляции (Non-invasive transcutaneous spinal cord stimulation facilitates locomotor activity in decerebrated and spinal cats.Ross Fiziol Zh Im I M Sechenova. 2013 Aug;99(8):917-27; Mapping of the Spinal Sensorimotor Network by Transvertebral and Transcutaneous Spinal Cord Stimulation. Front Syst Neurosci. 2020; 14: 555593), а также нестабильностью позиционирования стимулирующих электродов и трудностью его использования в ходе экспериментов на животных для исследования алгоритмов нейромодуляции нейронных сетей.

Все это побудило нас приступить к разработке нового, малоинвазивного метода вживления электродов для проведения ЭС.

Наиболее близким является «Способ моделирования и обучения лечению больных с хроническим поражением спинного мозга» (патент RU 2418319), который взят нами в качестве прототипа.

Суть способа-прототипа заключается в том, что крысам выполняют травматическое повреждение спинного мозга на нижнегрудном уровне Th9. Вживляют электроды в L2 и S1 сегменты спинного мозга и через две недели проводят хроническую эпидуральную стимуляцию. Стимулируют одновременно L2 и S1 сегменты с частотой 40 Гц при интенсивности 4-7 B, при условии, что задние конечности крыс опираются на ленту тредбана.

Несмотря на то, что способ показал высокую эффективность, он не лишен недостатков. Крысы демонстрировали хорошо координированную локомоторную активность с правильной постановкой стопы с выраженной фазой опоры. Вместе с тем, как и в ранее описанном методе, предложенный способ является высоко инвазивным, что сопряжено с травматичностью хирургической процедуры вживления электродов в спинной мозг, а также возможностью развития воспалительных и дегенеративных изменений в тканях вокруг хронически вживленного имплантата. Кроме того, последующее удаление электродов или реимплантация также требует массивного оперативного вмешательства с длительным послеоперационным лечением и уходом.

Технический результат настоящего изобретения состоит в активации локомоторной активности задних конечностей и мышц мочевыделительной системы при проведении ЭС за счет малоинвазивного вживления электродов в районе остистых отростков L2-L4 позвонков.

Этот результат достигается тем, что в известном способе моделирования лечения больных с двигательными расстройствами и висцеральными расстройствами на лабораторных животных, включающем травматическое повреждение нервной системы крыс, вживление электродов для проведения электрической стимуляции животного и проведение ее с помощью биполярных электродов, при том, что задние конечности животного опираются на ленту тредбана, согласно изобретению, электроды для проведения электрической стимуляции вживляют в остистые отростки L2-L4 позвонков, а электрическую стимуляцию выполняют с частотой 5 Гц и длительностью импульса 0.2 мс при интенсивности 1-10 мА.

Хирургический доступ при вживлении электродов для электростимуляции в районе остистых отростков позвонков является методически простым и малотравматичным. При таком воздействии двигательная активность парализованных животных инициируется малоинвазивно через позвонок, без необходимости ламинектомии и сложной хирургической имплантации электродов и последующего трудоемкого медицинского ухода, а также при отсутствии рисков, связанных с вживленным электродом на поверхности спинного мозга. Кроме собственно активации двигательной системы было показано, что предлагаемый способ трасвертебральной стимуляции может быть использован для активации мышц мочевыделительной системы.

При выполнении электрической стимуляции с частотой 5 Гц и длительностью импульса 0.2 мс при интенсивности 1-10 мА появляется тоническая мышечная активность, переходящая во вспышки активности, которые следуют в локомоторном ритме с чередованием работы флексоров и экстензоров и реципрокностью активностью в дистальных и проксимальных сегментах конечности, свойственных для координированной ходьбы реципрокностью.

Указанная совокупность существенных признаков заявляемого способа обеспечивается чрескостной стимуляцией афферентных каналов, несущих информацию в спинной мозг, что позволяет добиться эффекта восстановления моторной функции, но при минимальной травматичности процедуры. Это позволяет активировать системы генерации шагательного ритма и системы регуляции мышечного тонуса, что обеспечивает координированную ходьбу при нарушенном супраспинальном контроле. При этом такая трансвертебральная стимуляция приводит к активации мышц мочевыделительной системы.

Кроме того, другая особенность заявляемого способа состоит в его технической простоте и быстрой скорости применения. При этом вызываются шагательные движения у парализованных животных после нарушения супраспинальных влияний.

Этот результат открывает перспективу использования предложенного способа для восстановления двигательных и висцеральных функции у пациентов с нарушением супраспинальной регуляции спинальных нейронных сетей.

Сущность способа поясняется примерами:

Пример 1.

Способ исследовался на лабораторных крысах (вес 250-300 г). Травматическое повреждение нервной системы крысы проводили на преколликулярном-постмаммиллярном уровне по стандартной методике (A detailed surgical method for mechanical decerebration of the rat. Exp. Physiol. 97 693–698. m10.1113/expphysiol.2012.064840), в соответствии с международными стандартами, под глубоким наркозом. Парализованные обездвиженные животные тестировались через несколько часов после децеребрации. При этом тело подвешивалось в специальном гамаке, конечности свободно располагались на тредбане. В остистые отростки L2-L4 позвонка вживлялся проволочный электрод для проведения электростимуляции. Стимуляция осуществлялась с частотой 5 Гц, длительностью импульса 0.2-0.5 мс при интенсивности 1-10 мА. Осуществлялась видеорегистрация локомоторной активности на тредбане при воздействии электрической трансвертебральной стимуляции (5 Hz, 1 мА, 0.2 мс), кроме этого, регистрировалась активность мышц задних конечностей и мочевого пузыря. У всех животных после включения стимуляции появлялась тоническая активность мышц, переходящая во вспышки активности и ходьбу животного по тредбану. При этом трансвертебральная стимуляция приводила к активации мышц мочевыделительной системы.

Таким образом, мы пришли к выводу, что предлагаемый способ позволяет при малоинвазивном воздействии вызывать локомоторную активность задних конечностей и активировать мышцы мочевыделительной системы. А также предложенный способ является легко выполнимым, что открывает возможности для дальнейшего изучения нейрофизиологических механизмов двигательного и висцерального контроля. Назначение - в физиологии движений для моделирования двигательного поведения, исследования регуляции позы и локомоции на стволовом и спинальном уровнях, а также в медицине для создания малоинвазивных методов лечения и реабилитации людей с вертебро-спинальной патологией.

Изобретение относится к экспериментальной медицине, а именно к неврологии и физиологии, и может быть использовано для моделирования лечения больных с двигательными и висцеральными расстройствами. Для этого выполняют травматическое повреждение нервной системы крыс с последующим вживлением электродов в остистые отростки L2-L4 позвонков для проведения электрической стимуляции (ЭС) с частотой 5 Гц, длительностью импульса 0.2 мс при интенсивности 1-10 мА. При этом задние конечности животного опираются на ленту тредбана. Способ позволяет активировать локомоторную активность задних конечностей и мышц мочевыделительной системы за счет проведения ЭС с малоинвазивным вживлением электродов при его простоте и малотравматичности. 1 пр.

Способ моделирования лечения больных с двигательными и висцеральными расстройствами на лабораторных животных, включающий травматическое повреждение нервной системы крыс, вживление электродов для проведения электрической стимуляции животного и проведение ее с помощью биполярных электродов, притом что задние конечности животного опираются на ленту тредбана, отличающийся тем, что электроды для проведения электрической стимуляции вживляют в остистый отросток L2-L4 позвонков, после чего электрическую стимуляцию выполняют с частотой 5 Гц, длительностью импульса 0.2 мс при интенсивности 1-10 мА.