Somatotopická konfigurace distálních zbytkových tkání končetiny u amputací dolních končetin

Historické pozadí

Amputace dolních končetin patří mezi nejstarší známé chirurgické zákroky v lékařské historii. Přes více než dvě tisíciletí se však v operativním přístupu změnilo relativně málo. V současné době je amputace dolní končetiny indikována nejčastěji při kompromitaci dolní končetiny v důsledku těžkého onemocnění periferních cév, v krátké době následuje traumata, nádory, infekce a vrozené vady končetin. Odhady frekvence amputací dolních končetin se jen ve Spojených státech pohybují od 30 000 do 40 000 případů ročně.

Normální funkce dolní končetiny je umožněna souhrou více svalových skupin působících ve shodě. Ambulace je pozoruhodně uspořádaný biomechanický proces, který je závislý na komplexní smyčce zpětné vazby zahrnující centrální a periferní nervový systém a muskuloskeletální systém. Svaly dolní končetiny ve svém přirozeném stavu existují ve vyváženém agonisticko/antagonistickém prostředí, ve kterém dobrovolná aktivace jednoho svalu vede nejen k jeho kontraktuře, ale i pasivnímu protažení jeho protikladu. Změny svalového napětí projevující se těmito změnami vedou ke stimulaci specializovaných receptorů ve svalových vláknech, které přenášejí informace o poloze kloubu do mozkové kůry. Taková zpětná vazba ve spojení s kožními senzorickými informacemi z kožních mechanoreceptorů nám poskytuje pocit propriocepce končetiny, který nakonec umožňuje vysoce přesné ovládání končetiny, a to i při absenci vizuální zpětné vazby.

Standardní operační přístup k amputaci dolní končetiny na úrovni podkolenní (BKA) nebo nadkolenní (AKA) však ruší mnoho dynamických vztahů charakteristických pro neporaněnou dolní končetinu. Počáteční expozice je prováděna buď schodovitou (BKA) nebo rybí hubou (AKA) řezem, po kterém následuje progresivní transekce svalů, cév, nervů a kostí na úrovni řezu. Tkáně distální od místa strukturální transekce jsou vyřazeny bez ohledu na to, zda tam mohou být nebo nemohou být životaschopné segmenty, a proximální zbytkové svaly jsou navrstveny přes distální transekovanou kost, aby poskytly izolaci tomuto exponovanému kostnímu povrchu. Okolní kůže se poté posune přes kostní/svalovou infrastrukturu, aby se dosáhlo definitivního uzavření. Rudimentární aproximace tkání v distální končetině v těchto přístupech vede k neorganizované hmotě jizvy, ve které jsou zničeny normální dynamické svalové vztahy. Rozpojení nativních svalových párů agonista/antagonista vede k izometrické kontrakci zbytkových svalových skupin při dobrovolné aktivaci, což vede k neúplné, nevyvážené nervové zpětné vazbě do mozku, což vede k aberantnímu vnímání zbytkové polohy končetiny. Takto narušená zpětná vazba má za následek nejen zhoršení ambulantních funkcí s protetikou, ale projevuje se také jako patologické smyslové vnímání končetiny ve formě fantomové končetiny a symptomatologie fantomové bolesti.

Dosud poskytovatelé a pacienti tolerovali omezení těchto přístupů kvůli poměrně zjednodušenému cíli amputace dolní končetiny: poskytnout stabilní, polstrovaný povrch pro montáž protézy. Historicky protézy dolních končetin poskytovaly osobám po amputaci příležitost obnovit alespoň určitou míru ambulantní funkce. Standardní protézy dolních končetin v současné době umožňují nositeli chůzi základním způsobem a také příležitostný běh. Taková zařízení však obecně nebyla schopna rekapitulovat složitou biomechaniku lidské dolní končetiny kvůli omezeným rozsahům pohybu a nedostatku zpětné kontroly. Tato omezení vedla k podstatně změněné kinematice u amputovaných dolních končetin, které jsou spojeny s poruchami v profilech energetického výdeje, které se zhoršují s lateralitou a vzestupnou úrovní.

Svítá však doba, ve které se možnosti moderních protéz výrazně rozšiřují. Technologický pokrok, včetně stále miniaturizovanější elektroniky, bezdrátové komunikace a neustále zdokonalovaných polohových senzorů, umožnil vývojářům protetiky vytvářet bionické končetiny nové generace s výrazně vyšší mírou volnosti oproti předchozím modelům. Bylo prokázáno, že takové protézy výrazně zlepšují energetický výdej pacientů po amputaci, kteří je vhodně používají. V současné době se vyvíjejí ještě pokročilejší protézy, které zahrnují schopnost poskytovat aktivní vnitřní kontrolu končetin pro usnadnění komplexních motorických akcí, jako je tanec a balancování na jedné noze. Kromě toho jsou v současné době vyvíjeny prototypy protetiky, které mají potenciál nabídnout senzorickou zpětnou vazbu – hmatovou i polohovou – způsobem, který dosud nebyl svědkem. Takové protetiky, i když ještě nejsou komerčně dostupné, se v současnosti používají v experimentálních podmínkách.

Tyto technologické pokroky v oblasti vývoje protéz se však nevyrovnaly chirurgickému pokroku, pokud jde o léčbu reziduální končetiny. Klasické techniky amputace dolní končetiny neposkytují inervovaná rozhraní, která mohou sloužit jako relé pro komplexní řízení protézy; bez takových biologických aktivátorů ve zbytkové končetině, které poskytují vedení pro výměnu informací, jsou protézy nové generace málo použitelné. Jinak řečeno, protetika nové generace v současné době obsahuje ovladače a senzory schopné poskytovat mnohem vylepšené funkce, než jaké byly kdy dříve svědky, ale standardní přístupy k amputaci končetiny neposkytují způsob, jak efektivně propojit tyto protetiky s jejich zamýšlenými uživateli. Nyní je zapotřebí evoluce ve způsobu, jakým se amputace dolních končetin provádějí – taková, která poskytne biologické rozhraní, které umožní osobám po amputaci dolní končetiny využít rozšířených schopností, které nabízejí pozoruhodné protézy, které jsou v současné době ve vývoji.

Předchozí předklinické nebo klinické studie

Poznání zvýšené potřeby účinných nervových rozhraní pro protetické končetiny bylo doloženo rostoucím počtem úsilí v této oblasti v posledním desetiletí. Počáteční snahy o zajištění vysokého rozlišení kontroly distálních protéz se soustředily především na přímá a nepřímá mozková rozhraní, a to buď umístěním elektroencefalografických senzorů na temeni hlavy nebo implantovatelnými parenchymálními elektrodami. Takové snahy však byly sužovány špatným rozlišením, nekonzistentností v získávání signálu a progresivními reakcemi na cizí tělesa vedoucími k degradaci impulsů v průběhu času.

Jak jsou omezení mozkových rozhraní stále evidentnější, zaměření se přesunulo na přímá periferní nervová rozhraní včetně vložených sít a manžet určených k přenosu elektrických signálů přímo z jednotlivých nervových svazků do distálních protéz. Tyto monitory však ukázaly malý klinický příslib kvůli progresivní kompresi nervu sekundární k jizvení, stejně jako významnému neurologickému přeslechu a interferenci v biologických modelech.

Jako takové jsou nyní nejslibnější snahy týkající se vývoje rozhraní periferních nervů v oblasti biologických systémů. Dva hlavní modely v této oblasti jsou následující:

• Cílená svalová reinervace (TMR): TMR je technika, při které se využívá série nervových transferů k reinervaci specifických cílových svalů k vytvoření dalších protetických kontrolních míst po amputaci proximální končetiny. Tyto nervové transfery nabízejí intuitivní ovládání distálních protéz, protože reinervované svaly jsou ovládány stejnými nervy, které kdysi inervovaly amputovanou končetinu. Signály vytvořené zbytkovými nervy jsou zesíleny svaly příjemce, které jsou zachyceny povrchovými elektrodami a převedeny do distální protézy. Zákroky TMR byly dosud provedeny u více než 40 pacientů. Mezi omezení této techniky však patří konečný počet dostupných míst elektromyografického signálu kvůli anatomickým omezením a problémům s dlouhodobou věrností signálu.
• Regenerativní periferní nervová rozhraní (RPNI): RPNI nabízí alternativní verzi inervovaného biologického rozhraní. RPNI je chirurgický konstrukt, který se skládá z nevaskularizovaného segmentu svalu, který je navázán na distální motorické nebo senzorické nervové zakončení. Na rozdíl od TMR se sval RPNI nerekrutuje z jinak normálně inervovaného proximálního svalu; místo toho je konstruován jako volný štěp z ortotopicky pocházející tkáně dárce. Svalový segment je postupně reinervován přesměrovaným nervovým zakončením, které pak podporuje volní aktivaci svalového segmentu, když je spouštěn centrálním nervovým systémem. Stejně jako u TMR dochází k intuitivnímu ovládání, protože reinervované svaly jsou ovládány stejnými nervy, které kdysi inervovaly amputovanou končetinu. Na rozdíl od TMR však neexistují žádná omezení na anatomických místech a nezdá se, že by byly problémy s dlouhodobou věrností signálu.

Zatímco TMR i RPNI prokázaly příslib v nabídnutí vylepšené funkčnosti pacientům, kteří již amputaci podstoupili, žádná z těchto technik nebyla začleněna do zásadního přepracování způsobu, jakým se amputace vůbec provádějí; ve všech případech klinické implementace TMR nebo RPNI dosud uváděných v literatuře byly tyto techniky použity k další optimalizaci funkčnosti pacientů, kteří již prodělali ztrátu končetiny.

Odůvodnění a potenciální výhody

Tento klinický protokol navrhuje iteraci modelu RPNI se záměrem začlenit tyto chirurgické konstrukce do návrhu amputací dolních končetin v době obětování končetiny. Vzhledem k dosavadnímu úspěchu této techniky se vědci domnívají, že začlenění inervovaných svalových segmentů do reziduálního designu končetiny má potenciál poskytnout amputovaným dolním končetinám biologické rozhraní pro bezprecedentní protetické ovládání motoriky, které je nejen s vysokým rozlišením, ale také vysoce intuitivní a schopný obnovit propriocepci končetiny. Kromě toho se očekává, že umožnění amputovaným osobám mít větší kontrolu nad pokročilými protézami může nabídnout potenciál normalizovat kinematiku chůze, a tím korigovat změny ve výdeji energie, které byly dříve hlášeny. Taková opatření jsou příslibem optimalizace funkčního a celkového zdraví osob po amputaci dolních končetin, čímž se sníží morbidita, která je v současnosti spojena s amputovaným stavem.

Specifické cíle

Hypotézou tohoto výzkumného protokolu je, že budeme schopni přepracovat způsob provádění amputací dolních končetin tak, aby zahrnoval biologické aktuátory, které umožní úspěšné nasazení protéz dolních končetin nové generace. Konkrétní cíle projektu jsou následující:

1. Definovat standardizovaný přístup k provádění nového operačního výkonu pro amputace podkolenní (BKA) i nadkolenní (AKA)
2. Měřit stupeň volní motorické aktivace a exkurze dosažitelných v konstrukcích zbytkových končetin a určit optimální konfiguraci a design takových konstrukcí
3. Popsat rozsah proprioceptivní a jiné senzorické zpětné vazby dosažitelné použitím těchto modifikovaných chirurgických technik
4. Ověřit funkční a somatosenzorickou nadřazenost navrhované amputační techniky oproti standardním přístupům k BKA a AKA
5. Vyvinout modifikovanou strategii akutní pooperační rehabilitace vhodnou pro tento nový chirurgický přístup