End-to-side nerve repair - A study in the forelimb of the rat

Abstract

Nerve injuries have a profound impact on individuals, suffering for the patients and induce cost for society. When dealing with severe nerve injuries that create a gap between nerve segments or when the injury is at the brachial plexus level, the clinical alternatives are limited. The brachial plexus model and its branches in the forelimb was evaluated as an experimental model for studies of nerve regeneration, particularly end-to-side nerve repair. Different types of nerve injuries and repair were induced to the forelimb of the rat, with specific focus on end-to-side nerve repair, i.e. when a distal end of an injured nerve is attached end-to-side to an intact nerve trunk. The radial or both median/ulnar nerves were subjected to a crush injury, a transection and conventional end-to-end nerve repair, a nerve graft procedure or a transection and end-to-side nerve repair. In the latter experiments, the distal nerve segment was attached end-to-side to the intact musculocutaneous nerve. Pawprints and tetanic muscle force were used for evaluation of functional outcome up to eight months after repair. Immunocytochemistry of the C-terminal flanking peptide of NPY (CPON), activating transcription factor 3 (ATF3; marker for cellular activation) and neurofilaments were used to investigate cell body activation and axonal outgrowth. Retrograde labeling detected the source of regenerated nerve fibres. Morphometry analysed the quality of the regenerating axons. Axonal outgrowth was related to the severity of the injury and repair method. A conditioning lesion shortened the time for functional recovery. In end-to-side nerve repair both sensory and motor neurons send axons to the recipient nerve. Retrograde labeling showed few doubled labelled cells indicating that collateral sprouting was only one mechanism by which regeneration occurred. Two recipient nerves could be supported from a single donor nerve. There was no advantage of attachment of also a proximal nerve stump as an extra source of axon to the same donor as an attempt to improve the regenerating capacity. The expression of CPON was dependent on the level of the nerve lesion, i.e. a more profound effect after a proximal injury. Application of an epineural window and/or sutures with or without end-to-side attachment of a nerve segment to a potential donor nerve was needed for ATF3 activation, while application of a piece of muscle or nerve alongside a donor nerve had no such effect. An injury to the donor nerve is a prerequisite for activation of neurons and non-neuronal cells leading to sprouting of axons. End-to-side nerve repair is an alternative method to reconstruct severe nerve injuries when a proximal nerve segment is not available.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De perifera nervstammarna i extremiteterna förmedlar signaler, dels till muskler, dels från känselkroppar som är belägna i bl a huden. Nervstammarna kan av olika orsaker utsättas för skador orsakade av vassa eller skärande föremål eller av olika typer av slitvåld. Nervskador ger ett mycket stort handikapp för den enskilde patienten som förlorar muskelfunktion och känsel i extremiteten. Skadorna orsakar också kostnader för samhället. Ett särskilt problem är de skador som drabbar de olika delarna i armens nervfläta uppe runt skulderregionen, vilka ger mycket omfattande funktionspåverkan i extremiteten.



Efter en nervskada försvinner (degenererar) den del av nervtråden som finns bortanför nervskadan medan bindvävskomponenterna i själva nervstammen finns kvar. Vid de enklaste avskärningsskadorna kan nervstammens hölje sys ihop ända till ända varefter de skadade nervtrådarna växer ut på nytt men utväxten är oftast inkomplett, omfattande felväxt förekommer och många nervceller dör p g a skadan.



Vid mer omfattande nervskador uppstår en defekt i den skadade nervstammen. Detta är särskilt vanligt vid nervskador i armens nervfläta. Alternativet är då att använda en mindre viktig nerv, exempelvis från baksidan av underbenet, som förflyttas (transplanteras) och läggs som en kabelnervgraft mellan den skadade nervstammens ändar varefter nervtrådarna använder nervgraftet som en bro för att nå den nedre delen av nervstammen. Vid vissa tillfällen kan skadan vara så omfattande att den övre nervfiberinnehållande nervstammen saknas. Den föreliggande avhandlingen fokuserar på möjligheten att i sådana fall koppla den nedre nervstammen, som således saknar sin övre nervstamsände, ända till sida till en annan helt intakt nervstam för att på så sätt ?locka ut? eller ?låna? nervfibrer och därmed få viss funktion i den skadade nervstammens innervationsområde.



I den första delen av avhandlingen studerades återkomst av funktion efter att tre olika nerver (s k radialis, medianus och ulnaris nerver) på råttans framben skadats på olika sätt, exempelvis krosskada, avskärningsskada och konventionell reparation ända till ända, avskärning och reparation med s k nervgraft. Efter dessa skador studerades gångförmåga, särskilt tassavtrycken, hos råttan och återkomsten av funktion var beroende av skadans omfattning. Nervcellskropparna av de nervceller som förmedlar känselimpulser påverkades mer om skadan var lokaliserad nära nervcellskroppen jämfört med om det var beläget mer perifert vilket kunde visas med hjälp av antikroppsteknik för att visualisera en nervskademarkör (CPON). Om en nervstam utsätts för en skada vid ett tillfälle samt efter några dagar för ytterligare en skada har nerven ?konditionerats? och funktionsåterkomsten är mycket snabbare. Den första delen av avhandlingen visade att nervflätan och dess nervgrenar hos råtta är en lämplig modell att studera andra typer av reparationsmetoder.



I den andra, och mer omfattande delen, av avhandlingen fokuserades på möjligheten att rekonstruera en nervskada genom att använda den nedre nervändan (av exv. radialis, medianus och ulnarisnerv), där den övre nervändan saknas, och koppla denna ända till sida till en intakt för övrigt oskadad nerv (i modellen den s k muskulocutaneusnerven). Detta kallas ?end-to-side2 nervreparation.



Efter reparationen ända till sida (end-to-side) noterades att såväl känsel- som muskelnervceller från den intakta donatornerven skickade nervtrådar ner i den adapterade nervstammen. Funktionen i frambenet och framfoten återkom till viss del vilket kunde ses på tassavtrycken. Det var möjligt att adaptera två stycken skadade nervstammar till en intakt donatornerv. Nervtrådar växte ut i båda de adapterade nervstammarna.



Olika färgämnen användes för att studera ursprunget av de nervtrådar som växte ner i den adapterade nervstammen. Resultatet visade att få nervceller i donatornerven skickade ut nervtrådar i den adapterade nervstammen samtidigt som den ursprungliga nervtråden var intakt (s k kollateral sprouting eller utväxt). Andra mekanismer än kollateral utväxt ligger bakom funktionsåterkomsten. Det fanns inga fördelar med att också adaptera en nervfiber-innehållande nervstam ända till sida som en extra resurs av nervtrådar mer centralt på donatornerven som därmed fungerade också som ett nervbro (nervgraft). En speciell nervskademarkör (s k transkriptionsfaktor ATF3) användes för att studera vilken typ av behandling av den s k donatornerven som krävs för att aktivera donatornerven också med nervfiberutväxt. Det krävs någon form av ?skada? på donatornervstammen, som exempelvis skapande av ett litet fönster i benens bindväv och/eller applikation av små suturtrådar med eller utan en adapterad nervstam ända till sida för att aktivera donatornerven. Att bara applicera en bit muskel eller sena utan annan nervmanipulation; längs med donatornerven medförde ingen cellaktivering i donatornerven eller i dess nervcellskroppar.



Sammanfattningsvis visar resultaten i avhandlingen, som är ett samarbete mellan Sverige och Grekland, att adaptation av en skadad nervstam, som saknar sin centrala nervfiberinnehållande del, ända till sida (end-to-side) till en intakt s k donatornerv är en användbar metod att rekonstruera omfattande nervskador, särskilt inom armens nervplexa.

• author: Bontioti, Eleana
• supervisor: Lars Dahlin
• opponent: Professor Frey, Manfred, Abteilung für Wiederherstellende und Plastische Chirurgi, Chirurgische Universitätsklinik, Vienna, A
• organization: Department of Clinical Sciences, Malmö
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Surgery
• keywords: Nerve regeneration, Kirurgi, traumatology, Surgery, orthopaedics, Medicin (människa och djur), Medicine (human and vertebrates), Retrograde labelling, ATF3, Collateral sprouting, ortopedi, traumatologi, Nerve injury
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• pages: 105 pages
• defense location: Lilla aulan Medicinskt Forskningscentrum (MFC) Malmö University Hospital 205 02 Malmö SWEDEN
• defense date: 2005-06-08 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85439-57-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: EN Bontioti, M Kanje and LB Dahlin. 2003. Regeneration and functional recovery in the upper extremity of rats after various types of nerve injuries Journal of the Peripheral Nervous System, vol 8 pp 159-168. Blackwell; EN Bontioti, M Kanje, G Lundborg and LB Dahlin. 2005. End-to-side nerve repair in the upper extremity of rat Journal of the Peripheral Nervous System, vol 10 pp 58-68. Blackwell; EN Bontioti, M Kanje and LB Dahlin. . End-to-side nerve repair: attachment of only a distal versus a proximal and a distal nerve segment. (submitted); EN Bontioti, LB Dahlin, K Kataoka and M Kanje. . End-to-side nerve repair induces nuclear translocation of the activating transcription factor 3 (ATF3). (submitted) The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Hand Surgery Research Group (013241910), Reconstructive Surgery (013240300)
• id: 6e6d956d-f5fd-41b4-8a65-20dc37cd86cd (old id 545007)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:53:58
• date last changed: 2019-05-21 21:45:10