In vivo intracochleaire beeldvorming en geleide plaatsing van cochleair implantaat met biosensingcapaciteit

Cochleaire implantaten (CI) zijn een bewezen chirurgische oplossing voor de behandeling van perceptieve auditieve problemen. CI's zijn samengesteld uit een externe microfoon en een geluidsprocessor die elektrische signalen naar een platina-elektrode-array in het slakkenhuis stuurt, het orgaan waar de auditieve haarcellen en zenuwen zich bevinden. Deze elektrische signalen triggeren rechtstreeks lokale neuronen, omzeilen het conventionele gehoorpad en herstellen het gehoor door stimulatie.

De chirurgische plaatsing van de elektrode-reeks volgt de cochleaire ruimtes. Opvallend is dat trauma gerelateerd aan het inbrengen moeilijk te beoordelen is, waardoor het slakkenhuis een soort zwarte doos wordt voor de chirurg. Het slakkenhuis ligt in het temporale bot en is omgeven door een dichte otische capsule, die directe visualisatie van zijn microstructuur beperkt. De huidige radiografische klinische beeldvorming (röntgenstralen en CT-scan) heeft geen resolutie om de intracochleaire structuur goed te kunnen onderscheiden. Onvoldoende informatie over de patiëntspecifieke interne structuur kan leiden tot invoegingsgerelateerd trauma tijdens implantatie. Visuele feedback tijdens de chirurgische ingreep zou het risico op schade aan (rest) gehoor aanzienlijk verminderen. Het is niet verwonderlijk dat het behoud van gehoorstructuren een prioriteit is en leidt tot een hogere geluidskwaliteit van de CI (weergegeven als betere temporele responsen en tonotopiciteit).

Optische Coherentie Tomografie (OCT) wordt voorgesteld als een visueel middel om de juiste CI-plaatsing te verifiëren. Het is een transversale beeldvormingsmodaliteit, gebaseerd op optische interferometrie, die gebruik maakt van niet-ioniserend IR-licht. OCT maakt 3D-tomografische beeldvorming van microstructuren mogelijk met een resolutie van 1 tot 15 µm. De apparatuur kan dun bot doordringen, dat zich uitstrekt van 3-4 mm dik in een menselijk tijdelijk bot, en zacht weefsel en kan midden en binnenoorstructuren oplossen. Als gevolg hiervan kan OCT de chirurg helpen de scala tympani te lokaliseren en de CI-elektrodenarray in te brengen.

Na het inbrengen van de elektrode-array kan een acute ontstekingsreactie plaatsvinden. Mestcellen en monocyten geven verbindingen zoals histamine en serotonine vrij, waardoor vasodilatatie en capillaire permeabiliteit worden geïnduceerd. De acute reactie kan worden vervangen door een chronische ontstekingsfase als het apparaat wordt herkend als een vreemd lichaam. Een accumulatie van macrofagen en lymfocyten (samen met hun derivaten) vindt plaats evenals weefselgranulatie (geïdentificeerd door de aanwezigheid van macrofagen en fibroblasten). De CI-efficiëntie heeft een negatieve correlatie met bindweefselgroei na operatie. Men denkt dat de weefselgroei de reden is voor een toename van de elektrische impedantie. Het resultaat van dit fenomeen is het zachte falen (langzaam verergerende functie) van het cochleaire apparaat, weerspiegeld in een steile afname van de efficiëntie.

Om inzicht te krijgen in de acute ontstekingsreactie, kan een histamine-sensor in de CI-elektrode-array worden opgenomen. De sensor is een dunne laag polymeer bedrukt met herkenningsplaatsen voor de marker. De sensor wordt bevestigd aan de CI door een monomeer te elektropolymeriseren in aanwezigheid van een sjabloonmolecuul. Het resulterende polymeer zal holten bevatten die complementair zijn aan het doelmolecuul en die interageren door (niet) covalente binding. De gefunctionaliseerde elektrodenarray zal in staat zijn om de ontstekingsmarker met hoge affiniteit en specificiteit (vergelijkbaar met een antilichaam-antigeen of receptor-ligand) te rebinden, die kan worden gedetecteerd door elektrische impedantiespectroscopie.

Dit project probeert de cochleaire implantatie-chirurgische procedure te verbeteren en inzicht te krijgen in het ontstekingsproces in het slakkenhuis door geconfronteerd te worden met 2 belangrijke beperkingen van de huidige behandeling: (1) het ontbreekt aan intra-operatieve beeldvorming tijdens een CI-inbrengprocedure om onnodig trauma te voorkomen en (2 ) postoperatief inzicht verschaffen in de acute ontstekingsreactie door de CI-functie uit te breiden met een biosensieschema voor detectie van ontstekingsmarkers. Als gevolg hiervan kan de kennis van de precieze positie van een CI na insertie in vivo worden beoordeeld, evenals een inzicht in de betekenis van de inflammatoire route van ontstekingsgemedieerde reactiemoleculen na de operatie.