Nový přístup k amputaci horních končetin pro posílení volní kontroly a obnovení propriocepce

Amputace horní končetiny patří mezi nejstarší známé chirurgické postupy v lékařské historii, přičemž mnoho jejích technických principů poprvé objasnil Hippokrates. Přes více než dvě tisíciletí se v operačním přístupu k obětování horní končetiny změnilo relativně málo. Odhaduje se, že 58 000 pacientů ve Spojených státech v současné době trpí ztrátou končetiny horní končetiny v úrovni nad loktem (AEA) nebo pod loktem (BEA) a očekává se, že prevalence amputace horní končetiny vzroste do roku 2050 na přibližně 95 000 pacientů.

Normální funkce horní končetiny je umožněna dynamickou souhrou více svalových skupin působících ve shodě. Manuální zručnost je pozoruhodně uspořádaný biomechanický proces, který je závislý na komplexní smyčce zpětné vazby zahrnující centrální a periferní nervový systém a muskuloskeletální systém. Ve svém přirozeném stavu existují svaly horní končetiny ve vyvážené situaci agonista/antagonista, ve které dobrovolná aktivace jednoho svalu vede nejen k jeho kontraktuře, ale také k pasivnímu natažení jeho protikladu. Změny svalového napětí, které se projevují prostřednictvím této interakce jednotek agonisty a antagonisty, vedou ke stimulaci specializovaných receptorů ve svalových vláknech (např. vlákna svalového vřeténka a orgány Golgiho šlachy), 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.

Bohužel standardní operační přístup k amputaci horní končetiny na úrovni AEA nebo BEA ruší mnoho dynamických vztahů charakteristických pro neporaněnou horní končetinu. Počáteční chirurgická expozice se typicky provádí řezem ve tvaru rybí tlamy, 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/svalový konstrukt, aby se dosáhlo definitivního uzavření. Rudimentární aproximace nesouhlasných tkání v distální končetině v tomto přístupu 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 vede nejen k poruše funkce končetiny s protézami, ale projevuje se také jako patologické smyslové vnímání končetiny v podobě příznaků fantomové končetiny a fantomové bolesti.

Doposud byla omezení těchto přístupů tolerována vzhledem k poměrně zjednodušenému cíli amputace horní končetiny: poskytnout stabilní, polstrovaný povrch pro montáž protézy. Historicky protézy horních končetin poskytovaly osobám po amputaci příležitost obnovit alespoň určitou míru funkce horní končetiny. Taková zařízení však obecně nebyla schopna rekapitulovat složitou biomechaniku horní končetiny člověka kvůli omezeným rozsahům pohybu a nedostatku zpětné kontroly. Tato omezení vedla k uváděným mírám odmítnutí protézy horní končetiny v rozmezí od 23 % do 45 %, a to jak tělesně poháněných, tak myoelektrických zařízení.

Schopnosti moderních protéz se však nyní pozoruhodně 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. V současné době se vyvíjejí ještě pokročilejší protézy, které mají potenciál nabídnout senzorickou zpětnou vazbu – jak hmatovou, tak polohovou – způsobem dosud nevídaným. Taková protetická zařízení, i když ještě nejsou komerčně dostupná, jsou v současnosti studována v experimentálních podmínkách. Například agentura Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) nedávno vydala žádost o návrhy v rámci programu Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX) zahrnující protézu horní končetiny zahrnující šest stupňů volnosti na zápěstí, palci a všech prstech, 10 senzory tlaku schopné poskytovat senzorickou zpětnou vazbu a senzory úhlu a rychlosti kloubu schopné poskytovat data o poloze kloubu.

Navzdory tomuto technologickému pokroku ve vývoji protéz nedržely chirurgické metody týkající se managementu reziduální končetiny krok s těmito rozšířenými možnostmi protézy. Klasické techniky amputace horní končetiny neposkytují inervovaná rozhraní, která mohou sloužit jako relé pro komplexní protetickou kontrolu; bez takových biologických aktivátorů ve zbytkové končetině, které poskytují aferentní a eferentní kanály pro výměnu informací, jsou protézy nové generace málo použitelné. Jinak řečeno, protetická zařízení nové generace v současné době obsahují ovladače a senzory schopné poskytovat mnohem vylepšené funkce než kdy předtím, ale standardní přístupy k amputaci končetiny nepřinášejí způsob, jak účinně propojit tyto protetiky s jejich zamýšlenými uživateli. Nyní je zapotřebí evoluce ve způsobu, jakým se provádějí amputace horní končetiny – taková, která poskytne biologické rozhraní, které umožní amputovaným horním končetinám využít rozšířených schopností, které nabízejí pozoruhodné protézy, které jsou v současné době vyvíjeny.

Rozpoznání zvýšené potřeby účinných nervových rozhraní pro protetické končetiny lze pozorovat v rostoucím počtu úsilí v této sféře za poslední desetiletí. Počáteční snahy o zajištění kontroly distálních protéz s vysokým rozlišením byly zaměřeny především na nepřímá a přímá mozková rozhraní, a to buď umístěním elektroencefalografických senzorů na temeni hlavy, nebo implantovatelnými parenchymálními elektrodami. Tyto snahy však byly sužovány špatným rozlišením, nekonzistentností v získávání signálu a v případě implantovatelných zařízení progresivními reakcemi na cizí tělesa vedoucími k degradaci impulsů v průběhu času.

Jak jsou omezení mozkových rozhraní stále evidentnější, zaměření se přesunulo na periferní kontrolní lokusy. Úsilí v této žíle zahrnovalo přímá rozhraní periferních nervů včetně vložených sít a manžet navržených k přenosu elektrických signálů přímo z jednotlivých nervových svazků do distálních protéz. Tyto monitory však ukázaly jen malý klinický příslib v důsledku progresivní komprese nervu sekundárního k jizvení, stejně jako významného neurologického přeslechu a interference v biologických modelech.

Nejslibnější snahy týkající se vývoje rozhraní periferních nervů jsou nyní v oblasti biologických systémů. Tyto modely se skládají z konfigurací, ve kterých jsou nativní tkáně inervovány distálními nervovými zakončeními, aby se vytvořily biologické ovladače pro kontrolu distální protézy a zpětnou vazbu. Dva hlavní modely v této oblasti jsou následující:

• Cílená reinervace svalů (TMR): TMR, kterou vyvinuli Dumanian a Kuiken et al., je technika, při níž se používá řada nervových transferů k reinervaci specifických cílových svalů k vytvoření dalších kontrolních míst protézy po amputaci distální končetiny.
• Regenerativní periferní nervová rozhraní (RPNI): RPNI, propagovaná Cedernou a kol., 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.

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.

Klinický protokol navrhuje znovuobjevení způsobu, jakým se amputace horní končetiny provádějí, a to na základě několika principů stanovených v práci již prováděné v oblasti TMR a RPNI. Jak je rozvedeno níže, hlavní inovací je využití tkání distálních končetin, které by byly běžně obětovány v průběhu standardních amputací dolních končetin, aby poskytly substrát pro nativně inervované páry svalů agonista/antagonista schopné nejen intuitivní, dobrovolné motorické aktivace, ale také také proprioceptivní zpětná vazba. Koncepčně tato myšlenka spočívá ve fyzickém spojení biologicky protilehlých svalů (např. biceps a triceps), takže když je provedena neurologická kontrakce jednoho svalu, je také dosaženo současného protažení jeho partnera, což má za následek pozorovatelný pohyb dyády a stimulaci. standardních proprioceptivních drah. Výzkumníci nazvali tento konstrukt agonista-antagonista myoneurální rozhraní (AMI).

Způsob, jakým může být tento koncept dynamického agonisty/antagonisty klinicky operacionalizován, závisí na tom, zda jsou v době operačního zásahu přítomny intaktní, inervované a vaskularizované nativní svaly. Během posledních pěti let výzkumná skupina vyvinula experimentální modely pro různé klinické scénáře prostřednictvím řady předklinických výzkumů v populacích myší i koz.

Pokud je k dispozici zdravý nativní sval jako rekonstrukční substrát, může být do návrhu reziduální končetiny začleněna koaptace distálních konců dezinzerovaných párů agonista/antagonista; když se spojí s nativním synoviálním kanálem jako kluzným rozhraním, může být vytvořen systém podobný kladce, aby poskytl dynamický svalový konstrukt. Konstrukce AMI na krysím modelu prokázala zachování svalového objemu konstruktu, životaschopnost v průběhu času a produkci odstupňovaných aferentních signálů v reakci na natahování ramp a držení způsobem podobným přirozené svalové architektuře. Kromě toho provedení amputace na transtibiální úrovni se začleněním konstrukce AMI do modelu kozy prokázalo jasný spojený pohyb dvojice agonista-antagonista v přítomnosti jak přirozených nervových příkazů, tak umělé svalové stimulace.

Na základě těchto důkazů koncepčních studií na zvířatech vědci předpokládají, že AMI nabízí potenciál poskytnout biologické relé pro dobrovolnou kontrolu, která je lepší než jiné strategie nervového rozhraní, s další výhodou schopnosti obnovit propriocepci končetiny. Když je AMI spojen s vhodně upravenou protézou nové generace, může tak poskytnout první biologický mechanismus k dosažení skutečné neurální interaktivity s uzavřenou smyčkou s mechanickou končetinou.

Vyšetřovatelé zde navrhují tříleté, prospektivní, kontrolované hodnocení funkčních a somatosenzorických výhod modifikovaného amputačního modelu ve scénáři horní končetiny. Výzkumníci se domnívají, že tento model má potenciál poskytnout amputovaným horním končetinám biologické rozhraní, které nabízí nejen bezprecedentní motorické ovládání protéz s vysokým rozlišením, ale je také vysoce intuitivní a schopné obnovit propriocepci končetiny. Pokud se tyto rozšířené schopnosti projeví, mohou vést ke zlepšení funkčnosti a celkových zdravotních výsledků, včetně robustnějšího návratu do pracovního stavu a snížení psychické zátěže.