Ein neuartiger Ansatz zur Amputation der oberen Extremität zur Verbesserung der Willenskontrolle und Wiederherstellung der Propriozeption

Die Amputation der oberen Extremitäten gehört zu den ältesten bekannten chirurgischen Eingriffen in der Medizingeschichte, wobei viele ihrer technischen Prinzipien erstmals von Hippokrates erläutert wurden. Obwohl mehr als zwei Jahrtausende vergangen sind, hat sich relativ wenig an der operativen Herangehensweise an die Opferung der oberen Gliedmaßen geändert. Schätzungsweise 58.000 Patienten in den Vereinigten Staaten leiden derzeit an einem Verlust der oberen Extremität, entweder oberhalb des Ellenbogens (AEA) oder unterhalb des Ellenbogens (BEA), und die Prävalenz der Amputation der oberen Extremitäten wird voraussichtlich bis 2050 auf etwa 95.000 Patienten steigen.

Die normale Funktion der oberen Extremität wird durch das dynamische Zusammenspiel mehrerer gemeinsam agierender Muskelgruppen ermöglicht. Manuelle Geschicklichkeit ist ein bemerkenswert orchestrierter biomechanischer Prozess, der von einer komplexen Rückkopplungsschleife abhängig ist, die das zentrale und periphere Nervensystem und den Bewegungsapparat einbezieht. In ihrem ursprünglichen Zustand befinden sich die Muskeln der oberen Extremität in einer ausgewogenen Agonisten/Antagonisten-Situation, in der die gewollte Aktivierung eines Muskels nicht nur zu seiner Kontraktion, sondern auch zu einer passiven Dehnung des gegenüberliegenden Muskels führt. Veränderungen der Muskelspannung, die sich durch diese Interaktion von Agonisten- und Antagonisteneinheiten manifestieren, führen zur Stimulation spezialisierter Rezeptoren innerhalb der Muskelfasern (z. B. Muskelspindelfasern und Golgi-Sehnenorgane), 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.

Leider löscht der standardmäßige operative Ansatz zur Amputation der oberen Gliedmaßen entweder auf der AEA- oder auf der BEA-Ebene viele der dynamischen Beziehungen aus, die für die unverletzte obere Extremität charakteristisch sind. Die anfängliche chirurgische Freilegung erfolgt typischerweise durch einen Fischmaulschnitt, gefolgt von einer fortschreitenden Durchtrennung von Muskeln, Gefäßen, Nerven und Knochen auf der Ebene des Schnitts. 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 das Knochen-/Muskelkonstrukt vorgeschoben, um einen endgültigen Verschluss zu erreichen. Die rudimentäre Annäherung von diskordanten Geweben in der distalen Extremität bei diesem Ansatz 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 Rückkopplung an das Gehirn erzeugt wird, die zu einer abweichenden Wahrnehmung der Restgliedposition führt. Ein solches gestörtes Feedback führt nicht nur zu einer Funktionseinschränkung der Gliedmaßen mit Prothesen, sondern manifestiert sich auch als pathologische Sinneswahrnehmung der Extremität in Form von Phantomglied- und Phantomschmerzsymptomen.

Bis heute wurden die Einschränkungen dieser Ansätze aufgrund des ziemlich einfachen Ziels der Amputation der oberen Gliedmaßen toleriert: Bereitstellung einer stabilen, gepolsterten Oberfläche zum Anbringen einer Prothese. In der Vergangenheit haben Prothesen der oberen Extremitäten Amputierten die Möglichkeit geboten, zumindest ein gewisses Maß an Funktion der oberen Extremitäten wiederherzustellen. Solche Vorrichtungen waren jedoch im Allgemeinen nicht in der Lage, die komplexe Biomechanik der menschlichen oberen Extremität aufgrund begrenzter Bewegungsbereiche und fehlender Rückkopplungskontrolle zu rekapitulieren. Diese Einschränkungen haben zu Abstoßungsraten von Prothesen der oberen Extremitäten zwischen 23 % und 45 % geführt, einschließlich sowohl körperbetriebener als auch myoelektrischer Geräte.

Die Möglichkeiten moderner Prothesen erweitern sich jedoch jetzt bemerkenswert. Technologische Fortschritte, darunter zunehmend miniaturisierte Elektronik, drahtlose Kommunikation und immer raffiniertere Positionssensoren, haben es Prothesenentwicklern ermöglicht, bionische Gliedmaßen der nächsten Generation mit stark verbesserten Freiheitsgraden gegenüber früheren Modellen zu entwickeln. Noch fortschrittlichere Prothesen werden derzeit entwickelt, die das Potenzial haben, sensorisches Feedback – sowohl taktil als auch positionell – in einer noch nie dagewesenen Weise zu bieten. Solche prothetischen Vorrichtungen, obwohl sie noch nicht im Handel erhältlich sind, werden derzeit in experimentellen Umgebungen untersucht. Beispielsweise hat die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) kürzlich eine Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen im Rahmen des Programms für Hand-, Propriozeptions- und Berührungsschnittstellen (HAPTIX) herausgegeben, das eine Prothese für die oberen Gliedmaßen mit sechs Freiheitsgraden am Handgelenk, am Daumen und an allen Fingern umfasst, 10 Drucksensoren, die sensorisches Feedback liefern können, und Gelenkwinkel- und Geschwindigkeitssensoren, die Gelenkpositionsdaten liefern können.

Trotz dieser technologischen Fortschritte in der Prothesenentwicklung haben die chirurgischen Verfahren zur Behandlung des Stumpfes nicht mit diesen verbesserten Prothesenfähigkeiten Schritt gehalten. Klassische Techniken der Amputation der oberen Extremitäten bieten keine innervierten Schnittstellen, die als Relais für komplexe prothetische Steuerung dienen können; ohne solche biologischen Aktuatoren in dem Restglied, um afferente und efferente Leitungen für den Informationsaustausch bereitzustellen, sind Prothesen der nächsten Generation von geringem Nutzen. Anders ausgedrückt, Prothesen der nächsten Generation enthalten derzeit Treiber und Sensoren, die weitaus mehr Funktionalität als je zuvor bieten können, aber Standardansätze zur Amputation von Gliedmaßen bieten keine Möglichkeit, diese Prothesen effektiv mit ihren beabsichtigten Nutznießern zu verbinden. Eine Weiterentwicklung der Art und Weise, wie Amputationen der oberen Extremitäten durchgeführt werden – eine, die eine biologische Schnittstelle bietet, die es den Amputierten der oberen Extremitäten ermöglicht, die verbesserten Fähigkeiten zu nutzen, die die bemerkenswerten Prothesen bieten, die derzeit in der Entwicklung sind – ist jetzt erforderlich.

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

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

Die vielversprechendsten Bemühungen bezüglich der Entwicklung peripherer Nervenschnittstellen liegen jetzt im Bereich biologischer Systeme. Diese Modelle bestehen aus Konfigurationen, in denen natives Gewebe mit distalen Nervenenden innerviert wird, um biologische Aktuatoren für die distale Prothesensteuerung und Rückmeldung zu erzeugen. Die beiden führenden Modelle in diesem Bereich sind die folgenden:

• Gezielte Muskelreinnervation (TMR): Die von Dumanian und Kuiken et al. entwickelte TMR ist eine Technik, bei der eine Reihe von Nerventransfers verwendet wird, um spezifische Zielmuskeln zu reinnervieren, um zusätzliche Prothesenkontrollstellen nach einer distalen Gliedmaßenamputation zu schaffen.
• Regenerative periphere Nervenschnittstellen (RPNI): Von Cederna et al. verfochten, bietet RPNI 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.

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 beschriebenen Fällen der klinischen Implementierung von TMR oder RPNI wurden diese Techniken eingesetzt, um die Funktionalität von Patienten mit bereits erlittenem Gliedmaßenverlust weiter zu optimieren.

Das klinische Protokoll schlägt eine Neuerfindung der Art und Weise vor, in der Amputationen der oberen Extremitäten durchgeführt werden, und baut auf mehreren der Prinzipien auf, die in der bereits durchgeführten Arbeit im Bereich von TMR und RPNIs etabliert wurden. Wie unten ausgeführt, ist die Kerninnovation die Verwendung von distalem Gliedmaßengewebe, das normalerweise im Verlauf von Standardamputationen der unteren Gliedmaßen geopfert würde, um das Substrat für nativ innervierte Paarungen von Agonist/Antagonist-Muskeln bereitzustellen, die nicht nur zu intuitiver, willentlicher motorischer Aktivierung fähig sind auch propriozeptives Feedback. Konzeptionell besteht diese Idee in der physikalischen Verbindung biologisch entgegengesetzter Muskeln (z. B. Bizeps und Trizeps), so dass bei neurologisch ausgelöster Kontraktion eines Muskels auch eine gleichzeitige Dehnung seines Partners erreicht wird, was zu einer beobachtbaren Bewegung der Dyade und Stimulation führt der standardmäßigen propriozeptiven Bahnen. Die Forscher haben dieses Konstrukt Agonist-Antagonist Myoneural Interface (AMI) genannt.

Die Art und Weise, in der dieses dynamische Agonist/Antagonist-Muskelkonzept klinisch operationalisiert werden kann, hängt davon ab, ob zum Zeitpunkt des operativen Eingriffs intakte, innervierte und vaskularisierte native Muskeln vorhanden sind oder nicht. In den letzten fünf Jahren hat die Forschungsgruppe experimentelle Modelle für eine Vielzahl klinischer Szenarien durch eine Reihe präklinischer Untersuchungen sowohl in Maus- als auch in Ziegenpopulationen entwickelt.

Wenn ein gesunder nativer Muskel als rekonstruktives Substrat verfügbar ist, kann die Koaptation der distalen Enden von disserierten Agonist/Antagonist-Paaren in das Design des Restgliedes aufgenommen werden; Wenn es mit einem nativen Synovialkanal als Gleitschnittstelle gekoppelt ist, kann ein riemenscheibenähnliches System eingerichtet werden, um ein dynamisches Muskelkonstrukt bereitzustellen. Die Konstruktion von AMIs in einem Rattenmodell hat die Erhaltung der Muskelmasse des Konstrukts, die Lebensfähigkeit im Laufe der Zeit und die Produktion abgestufter afferenter Signale als Reaktion auf Ramp-and-Hold-Dehnungen in einer Weise gezeigt, die der nativen Muskelarchitektur ähnlich ist. Darüber hinaus hat die Durchführung einer Amputation auf der Unterschenkelebene unter Einbeziehung der AMI-Konstruktion in einem Ziegenmodell eine klare gekoppelte Bewegung des Agonisten-Antagonisten-Paares in Gegenwart sowohl natürlicher neuraler Befehle als auch künstlicher Muskelstimulation gezeigt.

Basierend auf diesen Proof-of-Concept-Tierstudien stellen die Forscher die Hypothese auf, dass das AMI das Potenzial bietet, ein biologisches Relais für die Willenskontrolle bereitzustellen, das anderen neuronalen Schnittstellenstrategien überlegen ist, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass es in der Lage ist, die Propriozeption der Gliedmaßen wiederherzustellen. In Verbindung mit einer entsprechend angepassten Prothese der nächsten Generation kann das AMI somit den ersten biologischen Mechanismus bereitstellen, um eine echte neuronale Interaktivität mit geschlossenem Regelkreis mit einem mechanischen Glied zu erreichen.

Die Forscher schlagen hier eine dreijährige, prospektive, kontrollierte Bewertung der funktionellen und somatosensorischen Vorteile des modifizierten Amputationsmodells in einem Szenario der oberen Extremität vor. Die Forscher glauben, dass dieses Modell das Potenzial hat, Amputierten der oberen Extremitäten eine biologische Schnittstelle bereitzustellen, die nicht nur eine beispiellose, hochauflösende motorische Steuerung von Prothesen bietet, sondern auch äußerst intuitiv ist und in der Lage ist, die Propriozeption der Extremitäten wiederherzustellen. Wenn sich diese erweiterten Fähigkeiten manifestieren, können sie zu einer verbesserten Funktionalität und allgemeinen Gesundheitsergebnissen führen, einschließlich einer robusteren Rückkehr zum Arbeitsstatus und einer geringeren psychischen Belastung.