En ny tilgang til amputation af øvre ekstremiteter for at øge frivillig kontrol og genoprette proprioception

Amputation af øvre ekstremiteter er blandt de ældste kendte kirurgiske procedurer i medicinsk historie, hvor mange af dets tekniske principper først er blevet belyst af Hippokrates. På trods af, at der er gået mere end to årtusinder, er relativt lidt ændret i den operative tilgang til ofring af øvre lemmer. Det anslås, at 58.000 patienter i USA i øjeblikket lider af tab af øvre ekstremiteter på enten niveauet over albue (AEA) eller under albue (BEA), og prævalensen af ​​amputation af øvre ekstremiteter forventes at stige til ca. 95.000 patienter i 2050.

Normal funktion af overekstremiteterne aktiveres gennem det dynamiske samspil mellem flere muskelgrupper, der virker i samspil. Manuel fingerfærdighed er en bemærkelsesværdigt orkestreret biomekanisk proces, der er afhængig af en kompleks feedback-loop, der involverer det centrale og perifere nervesystem og bevægeapparatet. I deres oprindelige tilstand eksisterer musklerne i den øvre ekstremitet i en afbalanceret agonist/antagonist situation, hvor frivillig aktivering af en muskel ikke kun fører til dens kontraktur, men også til passiv strækning af dens modsætning. Ændringer i muskelspændinger manifesterer sig gennem denne vekselvirkning mellem agonist- og antagonistenheder fører til stimulering af specialiserede receptorer i muskelfibrene (f.eks. muskelspindelfibre og Golgi-seneorganer), der overfører information om ledpositionen til hjernebarken. Sådan feedback, sammen med kutan sensorisk information fra hudmekanoreceptorer, giver os en følelse af lemmerproprioception, der i sidste ende muliggør high-fidelity kontrol af lemmer, selv i fravær af visuel feedback.

Desværre udsletter den standardoperative tilgang til amputation af øvre lemmer på enten AEA- eller BEA-niveau mange af de dynamiske relationer, der er karakteristiske for den uskadede øvre ekstremitet. Den indledende kirurgiske eksponering udføres typisk gennem et snit med fiskemundmønster efterfulgt af progressiv gennemskæring af muskler, kar, nerver og knogler på niveau med snittet. Væv distalt i forhold til stedet for den strukturelle gennemskæring kasseres, uanset om der er levedygtige segmenter eller ej, og de proksimale restmuskler lægges over den distale gennemskåret knogle for at give isolering til denne blottede knogleoverflade. Den omgivende hud føres derefter frem over knogle-/muskelkonstruktionen for at opnå en endelig lukning. Den rudimentære tilnærmelse af uenige væv i det distale lem i denne tilgang resulterer i en uorganiseret armasse, hvor normale dynamiske muskelforhold ødelægges. Afkoblingen af ​​native agonist/antagonist muskelparringer resulterer i isometrisk sammentrækning af resterende muskelgrupper ved frivillig aktivering, hvilket producerer ufuldstændig, ubalanceret neural feedback til hjernen, hvilket resulterer i afvigende opfattelse af resterende lemmerposition. En sådan forstyrret feedback fører ikke kun til nedsat lemmerfunktion med proteser, men viser sig også som patologisk sanseopfattelse af ekstremiteten i form af fantomlemmer og fantomsmerter.

Til dato er begrænsningerne af disse tilgange blevet tolereret på grund af det ret forenklede mål med amputation af øvre lemmer: at give en stabil, polstret overflade til montering af en protese. Historisk set har overekstremitetsproteser givet amputerede mulighed for at genvinde i det mindste et vist mål af overekstremitetsfunktion. Sådanne anordninger har imidlertid generelt ikke været i stand til at rekapitulere den komplekse biomekanik i det menneskelige overekstremitet på grund af begrænsede bevægelsesområder og mangel på feedbackkontrol. Disse begrænsninger har resulteret i rapporterede afstødningsrater for overekstremitetsprotese, der spænder fra 23 % til 45 %, inklusive både kropsdrevne og myoelektriske enheder.

Men mulighederne for moderne proteser udvides nu bemærkelsesværdigt. Teknologiske fremskridt, herunder stadig mere miniaturiseret elektronik, trådløs kommunikation og stadig raffinerede positionssensorer, har gjort det muligt for proteseudviklere at skabe næste generation af bioniske lemmer med stærkt forbedrede frihedsgrader i forhold til tidligere modeller. Endnu mere avancerede proteser udvikles i øjeblikket, som har potentiale til at give sensorisk feedback - både taktil og positionel - på en måde, som aldrig før er set. Sådanne proteseanordninger, selvom de endnu ikke er tilgængelige kommercielt, bliver i øjeblikket undersøgt i eksperimentelle omgivelser. For eksempel udsendte Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) for nylig en anmodning om forslag under programmet Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX), der inkorporerer en protese for overekstremiteterne inklusive seks frihedsgrader ved håndled, tommelfinger og alle cifre, 10 tryksensorer, der er i stand til at give sensorisk feedback, og ledvinkel- og hastighedssensorer, der er i stand til at levere ledpositionsdata.

På trods af disse teknologiske fremskridt inden for proteseudvikling har kirurgiske metoder vedrørende håndtering af det resterende lem ikke holdt trit med disse forbedrede proteseevner. Klassiske teknikker til amputation af øvre lemmer giver ikke innerverede grænseflader, der kan tjene som relæer til kompleks protesekontrol; Uden sådanne biologiske aktuatorer i det resterende lem til at give afferente og efferente kanaler til informationsudveksling, er næste generations proteser af ringe nytte. Sagt på en anden måde, inkorporerer næste generations proteseanordninger i øjeblikket drivere og sensorer, der er i stand til at levere langt mere forbedret funktionalitet end nogensinde før set, men standardtilgange til amputation af lemmer giver ikke en måde at effektivt forbinde disse proteser med deres tilsigtede begunstigede. En udvikling i den måde, hvorpå amputationer af øvre lemmer udføres - en, der vil give en biologisk grænseflade, der vil gøre det muligt for amputerede overekstremiteter at drage fordel af de forbedrede muligheder, som tilbydes af de bemærkelsesværdige proteser, der i øjeblikket er under udvikling - er nu påkrævet.

Anerkendelse af det øgede behov for effektive neurale grænseflader til protetiske lemmer kan ses i det voksende antal indsatser på dette område i løbet af det sidste årti. Indledende bestræbelser på at give højopløsningskontrol af distale proteser var primært fokuseret på indirekte og direkte hjernegrænseflader, enten gennem placering af henholdsvis elektroencefalografiske hovedbundssensorer eller implanterbare parenkymale elektroder. Sådanne bestræbelser har imidlertid været plaget af dårlig opløsning, uoverensstemmelser i signalopsamling og, i tilfælde af implanterbare enheder, progressive fremmedlegemereaktioner, der med tiden fører til impulsnedbrydning.

Efterhånden som begrænsningerne af hjernegrænseflader er blevet mere tydelige, er fokus i stedet flyttet til perifere kontrol loci. Bestræbelser i denne vene har inkluderet direkte perifere nervegrænseflader, herunder indskudte sigter og manchetter designet til at transducere elektriske signaler direkte fra individuelle nervefascikler til distale proteser. Sådanne monitorer har imidlertid vist lidt klinisk løfte på grund af progressiv nervekompression sekundært til ardannelse, såvel som betydelig neurologisk krydstale og interferens i biologiske modeller.

Den mest lovende indsats vedrørende udvikling af perifer nervegrænseflade er nu inden for biologiske systemer. Disse modeller består af konfigurationer, hvor native væv innerveres med distale nerveender for at skabe biologiske aktuatorer til distal protesekontrol og feedback. De to førende modeller på dette område er som følger:

• Målrettet muskelre-innervation (TMR): Pioneret af Dumanian og Kuiken et al., TMR er en teknik, hvorved en række nerveoverførsler bruges til at re-innervere specifikke målmuskler for at skabe yderligere protesekontrolsteder efter amputation af distale lemmer.
• Regenerative Peripheral Nerve Interfaces (RPNI): Forkæmpet af Cederna et al. tilbyder RPNI en alternativ version af en innerveret biologisk grænseflade. En RPNI er en kirurgisk konstruktion, der består af et ikke-vaskulariseret muskelsegment, der er coaptet til en distal motorisk eller sensorisk nerveende.

Mens både TMR og RPNI'er har vist løfte om at tilbyde forbedret funktionalitet til patienter, der allerede har gennemgået amputation, er ingen af ​​teknikkerne blevet indarbejdet i et grundlæggende redesign af måden, hvorpå amputationer udføres i første omgang; i alle tilfælde af klinisk implementering af TMR eller RPNI'er, der hidtil er rapporteret i litteraturen, er disse teknikker blevet anvendt til yderligere at optimere funktionaliteten af ​​patienter, der allerede havde oplevet tab af lemmer.

Den kliniske protokol foreslår en genopfindelse af den måde, hvorpå amputationer af øvre lemmer udføres, baseret på flere af de principper, der er etableret i det arbejde, der allerede er udført inden for TMR og RPNI'er. Som uddybet nedenfor er kerneinnovationen udnyttelsen af ​​distale lemmervæv, som normalt ville blive ofret i løbet af standard amputationer af underekstremiteterne for at tilvejebringe substratet for naturligt innerverede parringer af agonist/antagonistmuskler, der ikke kun er i stand til intuitiv, viljemæssig motorisk aktivering, men også proprioceptiv feedback. Konceptuelt består denne idé af fysisk sammenkobling af biologisk modsatte muskler (f.eks. biceps og triceps), således at når neurologisk udløst sammentrækning af en muskel udføres, opnås samtidig strækning af dens partner, hvilket resulterer i observerbar bevægelse af dyaden og stimulering standard proprioceptive veje. Efterforskerne har navngivet denne konstruktion agonist-antagonist myoneural interface (AMI).

Måden, hvorpå dette dynamiske agonist/antagonist muskelkoncept kan operationaliseres klinisk, afhænger af, hvorvidt intakte, innerverede og vaskulariserede native muskler er til stede på tidspunktet for operativ intervention. I løbet af de sidste fem år har forskergruppen udviklet eksperimentelle modeller for en række kliniske scenarier gennem en række prækliniske undersøgelser i både murine og gedepopulationer.

Hvis sund naturlig muskel er tilgængelig som et rekonstruktivt substrat, kan coaptation af de distale ender af desinserterede agonist/antagonist-par inkorporeres i designet af det resterende lem; når koblet med en naturlig synovial kanal som en glidende grænseflade, kan et remskive-lignende system etableres for at give en dynamisk muskelkonstruktion. Konstruktion af AMI'er i en rottemodel har vist bevarelse af konstruktionsmuskelvolumen, levedygtighed over tid og produktion af graderede afferente signaler som reaktion på rampe- og holdstrækninger på en måde, der ligner den oprindelige muskelarkitektur. Ydermere har udførelse af en amputation på transtibialt niveau med inkorporering af AMI-konstruktion i en gedemodel vist tydelig koblet bevægelse af agonist-antagonist-parret i nærværelse af både naturlige neurale kommandoer og kunstig muskelstimulering.

Baseret på disse proof of concept-dyreundersøgelser antager efterforskerne, at AMI tilbyder potentialet til at give et biologisk relæ til viljekontrol, der er overlegen i forhold til andre neurale grænsefladestrategier, med den ekstra fordel at være i stand til at genoprette lemmerproprioception. Når den kombineres med en passende tilpasset næste generations protese, kan AMI således give den første biologiske mekanisme til at opnå ægte lukket sløjfe neural interaktivitet med et mekanisk lem.

Efterforskerne her foreslår en tre-årig, prospektiv, kontrolleret vurdering af de funktionelle og somatosensoriske fordele ved den modificerede amputationsmodel i et scenarie for øvre ekstremiteter. Efterforskerne mener, at denne model har potentialet til at give amputerede overekstremiteter en biologisk grænseflade, der ikke kun tilbyder hidtil uset højopløsningsmotorisk kontrol af proteser, men også er yderst intuitiv og i stand til at genoprette lemmernes proprioception. Hvis de er åbenbare, kan disse udvidede egenskaber resultere i forbedret funktionalitet og overordnede sundhedsresultater, herunder mere robust tilbagevenden til arbejde og mindsket psykisk belastning.