Somatotope Konfiguration von distalem Restgliedgewebe bei Amputationen der unteren Extremitäten

Historischer Hintergrund

Die Amputation der unteren Extremität gehört zu den ältesten bekannten chirurgischen Eingriffen in der Medizingeschichte. Trotz über zwei Jahrtausenden hat sich jedoch relativ wenig an der operativen Vorgehensweise geändert. Derzeit ist die Amputation der unteren Extremitäten am häufigsten bei einer Beeinträchtigung der unteren Extremität aufgrund einer schweren peripheren Gefäßerkrankung indiziert, in kurzer Folge gefolgt von Traumata, Tumoren, Infektionen und angeborenen Gliedmaßenmängeln. Schätzungen zur Häufigkeit von Amputationen der unteren Gliedmaßen liegen allein in den Vereinigten Staaten zwischen 30.000 und 40.000 Fällen pro Jahr.

Die normale Funktion der unteren Extremität wird durch das Zusammenspiel mehrerer gemeinsam agierender Muskelgruppen ermöglicht. Die Bewegung ist ein bemerkenswert orchestrierter biomechanischer Prozess, der von einer komplexen Rückkopplungsschleife abhängt, an der das zentrale und periphere Nervensystem sowie der Bewegungsapparat beteiligt sind. In ihrem ursprünglichen Zustand existieren die Muskeln der unteren Extremität in einem ausgewogenen Agonisten/Antagonisten-Milieu, in dem die willentliche Aktivierung eines Muskels nicht nur zu seiner Kontraktur, sondern auch zu einer passiven Dehnung seines Gegenstücks führt. Veränderungen der Muskelspannung, die sich durch diese Veränderungen manifestieren, führen zur Stimulation spezialisierter Rezeptoren innerhalb der Muskelfasern, die Gelenkpositionsinformationen an die Großhirnrinde übertragen. Ein solches Feedback in Verbindung mit kutanen sensorischen Informationen von Haut-Mechanorezeptoren vermittelt uns ein Gefühl der Propriozeption der Gliedmaßen, das letztendlich eine High-Fidelity-Steuerung der Gliedmaßen ermöglicht, selbst wenn kein visuelles Feedback vorhanden ist.

Der standardmäßige operative Ansatz zur Amputation der unteren Gliedmaßen entweder unterhalb des Knies (BKA) oder oberhalb des Knies (AKA) löscht jedoch viele der dynamischen Beziehungen aus, die für die unverletzten unteren Extremitäten charakteristisch sind. Die anfängliche Freilegung erfolgt entweder durch einen Treppenstufen- (BKA) oder Fischmaulschnitt (AKA), gefolgt von einer fortschreitenden Durchtrennung von Muskeln, Gefäßen, Nerven und Knochen auf der Ebene der Inzision. Gewebe distal von der Stelle der strukturellen Durchtrennung werden verworfen, unabhängig davon, ob lebensfähige Segmente vorhanden sind oder nicht, und die proximalen Restmuskeln werden über den distal durchtrennten Knochen geschichtet, um diese freigelegte Knochenoberfläche zu isolieren. Die umgebende Haut wird dann über die Knochen-/Muskelinfrastruktur vorgeschoben, um einen endgültigen Verschluss zu erreichen. Die rudimentäre Annäherung von Geweben in der distalen Extremität bei diesen Ansätzen führt zu einer desorganisierten Narbenmasse, in der normale dynamische Muskelbeziehungen zerstört sind. Die Entkopplung nativer Agonist/Antagonist-Muskelpaarungen führt zu einer isometrischen Kontraktion von Restmuskelgruppen bei willentlicher Aktivierung, wodurch eine unvollständige, unausgeglichene neurale Rückmeldung an das Gehirn erzeugt wird, die zu einer abweichenden Wahrnehmung der Restgliedposition führt. Ein solches gestörtes Feedback führt nicht nur zu einer Beeinträchtigung der Gehfunktion mit Prothesen, sondern manifestiert sich auch als pathologische Sinneswahrnehmung der Extremität in Form von Phantomglied- und Phantomschmerzsymptomatik.

Bis heute haben Anbieter und Patienten die Einschränkungen dieser Ansätze aufgrund des ziemlich einfachen Ziels der Amputation der unteren Gliedmaßen toleriert: Bereitstellung einer stabilen, gepolsterten Oberfläche für die Prothesenmontage. In der Vergangenheit haben Prothesen für die unteren Gliedmaßen Amputierten die Möglichkeit geboten, zumindest ein gewisses Maß an Gehfunktion wiederherzustellen. Standardprothesen für die unteren Gliedmaßen ermöglichen dem Träger derzeit das Gehen in rudimentärer Weise sowie gelegentliches Laufen. Solche Vorrichtungen waren jedoch im Allgemeinen nicht in der Lage, die komplexe Biomechanik der menschlichen unteren Extremität aufgrund begrenzter Bewegungsbereiche und fehlender Rückkopplungskontrolle zu rekapitulieren. Diese Einschränkungen haben zu einer wesentlich veränderten Kinematik bei Amputierten der unteren Gliedmaßen geführt, die mit Störungen der Energieverbrauchsprofile verbunden sind, die sich mit Lateralität und steigendem Niveau verschlechtern.

Es bricht jedoch ein Zeitalter an, in dem sich die Möglichkeiten moderner Prothesen bemerkenswert erweitern. Technologische Fortschritte, darunter zunehmend miniaturisierte Elektronik, drahtlose Kommunikation und immer raffiniertere Positionssensoren, haben es Prothesenentwicklern ermöglicht, bionische Gliedmaßen der nächsten Generation mit deutlich verbesserten Freiheitsgraden gegenüber früheren Modellen zu entwickeln. Es hat sich gezeigt, dass solche Prothesen den Energieverbrauch von Amputierten, die sie angemessen verwenden, deutlich verbessern. Noch fortschrittlichere Prothesen befinden sich derzeit in der Entwicklung, die die Fähigkeit beinhalten, eine aktive intrinsische Gliedmaßenkontrolle bereitzustellen, um komplexe motorische Aktionen wie Tanzen und Balancieren auf einem Bein zu erleichtern. Darüber hinaus werden derzeit Prototypprothesen entwickelt, die das Potenzial haben, sensorisches Feedback – sowohl taktil als auch positionell – in einer noch nie dagewesenen Weise zu bieten. Solche Prothesen, obwohl sie noch nicht im Handel erhältlich sind, werden derzeit in experimentellen Umgebungen verwendet.

Diese technologischen Fortschritte im Bereich der Prothesenentwicklung wurden jedoch nicht mit chirurgischen Fortschritten im Hinblick auf die Behandlung des Stumpfes in Einklang gebracht. Klassische Techniken zur Amputation der unteren Gliedmaßen bieten keine innervierten Schnittstellen, die als Relais für komplexe Prothesensteuerung dienen können; ohne solche biologischen Aktuatoren in den Stumpfgliedern, um Kanäle für den Informationsaustausch bereitzustellen, sind Prothesen der nächsten Generation von geringem Nutzen. Anders ausgedrückt, die Prothesen der nächsten Generation beinhalten derzeit Treiber und Sensoren, die in der Lage sind, eine weitaus verbesserte Funktionalität als je zuvor bereitzustellen, aber Standardansätze für die Amputation von Gliedmaßen bieten keine Möglichkeit, diese Prothesen effektiv mit ihren beabsichtigten Nutznießern zu verbinden. Eine Weiterentwicklung der Art und Weise, wie Amputationen der unteren Extremitäten durchgeführt werden, ist jetzt erforderlich – eine, die eine biologische Schnittstelle bietet, die es den Amputierten der unteren Extremitäten ermöglicht, die verbesserten Fähigkeiten zu nutzen, die die bemerkenswerten Prothesen bieten, die derzeit in der Entwicklung sind.

Frühere vorklinische oder klinische Studien

Die Erkenntnis des gestiegenen Bedarfs an effektiven neuronalen Schnittstellen für Gliedmaßenprothesen wurde durch eine zunehmende Anzahl von Bemühungen auf diesem Gebiet im letzten Jahrzehnt belegt. Anfängliche Bemühungen zur Bereitstellung einer hochauflösenden Steuerung von distalen Prothesen konzentrierten sich hauptsächlich auf direkte und indirekte Gehirnschnittstellen, entweder durch Platzierung von elektroenzephalographischen Kopfhautsensoren bzw. implantierbaren parenchymalen Elektroden. Solche Bemühungen wurden jedoch durch eine schlechte Auflösung, Inkonsistenzen bei der Signalerfassung und fortschreitende Fremdkörperreaktionen geplagt, die im Laufe der Zeit zu einer Impulsverschlechterung führten.

Da die Einschränkungen der Gehirnschnittstellen offensichtlicher geworden sind, hat sich der Fokus auf direkte periphere Nervenschnittstellen verlagert, einschließlich zwischengeschalteter Siebe und Manschetten, die dazu bestimmt sind, elektrische Signale direkt von einzelnen Nervenfaszikeln zu distalen Prothesen zu übertragen. Solche Monitore haben sich jedoch aufgrund der fortschreitenden Nervenkompression als Folge der Narbenbildung sowie des signifikanten neurologischen Übersprechens und der Interferenz mit biologischen Modellen als wenig klinisch vielversprechend erwiesen.

Daher liegen die vielversprechendsten Bemühungen in Bezug auf die Entwicklung peripherer Nervenschnittstellen jetzt im Bereich biologischer Systeme. Die beiden führenden Modelle in diesem Bereich sind die folgenden:

• Gezielte Muskelreinnervation (TMR): TMR ist eine Technik, bei der eine Reihe von Nerventransfers verwendet wird, um spezifische Zielmuskeln zu reinnervieren, um zusätzliche prothetische Kontrollstellen nach einer proximalen Gliedmaßenamputation zu schaffen. Diese Nerventransfers ermöglichen eine intuitive Steuerung der distalen Prothesen, da die reinnervierten Muskeln von denselben Nerven gesteuert werden, die einst die amputierte Extremität innerviert haben. Von den Restnerven erzeugte Signale werden von den Empfängermuskeln verstärkt, die von Oberflächenelektroden erfasst und an die distale Prothese weitergeleitet werden. TMR-Verfahren wurden bisher bei mehr als 40 Patienten durchgeführt. Zu den Einschränkungen dieser Technik gehört jedoch die begrenzte Anzahl verfügbarer elektromyographischer Signalstellen aufgrund anatomischer Einschränkungen und Probleme mit der langfristigen Signaltreue.
• Regenerative periphere Nervenschnittstellen (RPNI): RPNI bietet eine alternative Version einer innervierten biologischen Schnittstelle. Ein RPNI ist ein chirurgisches Konstrukt, das aus einem nicht vaskularisierten Muskelsegment besteht, das an ein distales motorisches oder sensorisches Nervenende angepasst ist. Im Gegensatz zu TMR wird der RPNI-Muskel nicht von einem ansonsten normal innervierten proximalen Muskel rekrutiert; Stattdessen wird es als freies Transplantat aus orthotopisch gewonnenem Spendergewebe konstruiert. Das Muskelsegment wird durch das umgeleitete Nervenende allmählich reinnerviert, was dann die willentliche Aktivierung des Muskelsegments fördert, wenn es vom Zentralnervensystem ausgelöst wird. Wie bei der TMR erfolgt die intuitive Kontrolle, weil die reinnervierten Muskeln von denselben Nerven kontrolliert werden, die einst das amputierte Glied innerviert haben. Anders als bei der TMR gibt es jedoch keine Einschränkungen hinsichtlich der anatomischen Stellen und es scheint keine Probleme mit der langfristigen Signaltreue zu geben.

Während sich sowohl TMR als auch RPNIs als vielversprechend erwiesen haben, Patienten, die sich bereits einer Amputation unterzogen haben, eine verbesserte Funktionalität zu bieten, wurde keine der beiden Techniken in eine grundlegende Neugestaltung der Art und Weise aufgenommen, wie Amputationen überhaupt durchgeführt werden; In allen bisher in der Literatur berichteten Fällen der klinischen Implementierung von TMR oder RPNI wurden diese Techniken eingesetzt, um die Funktionalität von Patienten, die bereits einen Gliedmaßenverlust erlitten haben, weiter zu optimieren.

Begründung und potenzielle Vorteile

Dieses klinische Protokoll schlägt eine Iteration des RPNI-Modells vor, mit der Absicht, diese chirurgischen Konstrukte in das Design von Amputationen der unteren Extremitäten zum Zeitpunkt der Extremitätenopferung einzubeziehen. Angesichts des bisherigen Erfolgs dieser Technik sind die Forscher der Ansicht, dass die Einbeziehung innervierter Muskelsegmente in das Stumpfdesign das Potenzial hat, Amputierten der unteren Extremitäten eine biologische Schnittstelle für eine beispiellose prothetische Motorsteuerung bereitzustellen, die nicht nur hochauflösend, sondern auch äußerst intuitiv und intuitiv ist in der Lage, die Propriozeption der Gliedmaßen wiederherzustellen. Darüber hinaus wird erwartet, dass eine bessere Kontrolle von Amputierten über fortschrittliche Prothesen das Potenzial bieten könnte, die Gangkinematik zu normalisieren und dadurch Änderungen des Energieverbrauchs zu korrigieren, über die zuvor berichtet wurde. Solche Maßnahmen versprechen, die funktionelle und allgemeine Gesundheit von Amputierten der unteren Extremitäten zu optimieren und dadurch die Morbidität zu verringern, die derzeit mit dem Amputiertenstatus verbunden ist.

Spezifische Ziele

Die Hypothese dieses Forschungsprotokolls ist, dass wir in der Lage sein werden, die Art und Weise, wie Amputationen der unteren Extremitäten durchgeführt werden, neu zu gestalten, um biologische Aktuatoren einzubeziehen, die den erfolgreichen Einsatz von Prothesen der unteren Extremitäten der nächsten Generation ermöglichen. Die konkreten Ziele des Projekts sind wie folgt:

1. Definition eines standardisierten Ansatzes für die Durchführung eines neuartigen operativen Verfahrens für Amputationen sowohl unterhalb des Knies (BKA) als auch oberhalb des Knies (AKA).
2. Messung des Grads der willkürlichen motorischen Aktivierung und Exkursion, der in den Stumpfkonstruktionen erreichbar ist, und Bestimmung der optimalen Konfiguration und Gestaltung solcher Konstruktionen
3. Das Ausmaß des propriozeptiven und anderen sensorischen Feedbacks zu beschreiben, das durch den Einsatz dieser modifizierten chirurgischen Techniken erreichbar ist
4. Validierung der funktionellen und somatosensorischen Überlegenheit der vorgeschlagenen Amputationstechnik gegenüber Standardansätzen für BKA und AKA
5. Entwicklung einer modifizierten akuten postoperativen Rehabilitationsstrategie, die für diesen neuen chirurgischen Ansatz geeignet ist