A felső végtag amputációjának új megközelítése az akaratlagos kontroll fokozására és a propriocepció helyreállítására

A felső végtag amputációja az orvostörténet legrégebbi ismert sebészeti eljárásai közé tartozik, számos technikai alapelvét először Hippokratész fejtette ki. Annak ellenére, hogy több mint két évezred eltelt, viszonylag kevés változás történt a felső végtagok feláldozásának operatív megközelítésében. Becslések szerint az Egyesült Államokban jelenleg 58 000 beteg szenved felső végtag elvesztésében a könyök felett (AEA) vagy a könyök alatt (BEA), és a felső végtag amputációinak gyakorisága 2050-re várhatóan megközelítőleg 95 000 betegre fog emelkedni.

A felső végtag normál működését több, egymással összehangoltan működő izomcsoport dinamikus kölcsönhatása teszi lehetővé. A kézügyesség egy figyelemreméltóan összehangolt biomechanikai folyamat, amely a központi és perifériás idegrendszert, valamint a mozgásszervi rendszert érintő komplex visszacsatolási hurkon múlik. A felső végtag izmai natív állapotukban kiegyensúlyozott agonista/antagonista helyzetben léteznek, amelyben az egyik izom akaratlagos aktiválása nem csak annak kontraktúrájához, hanem az ellentétének passzív megnyúlásához is vezet. Az izomfeszültségben bekövetkező változások az agonista és antagonista egységek ezen kölcsönhatásán keresztül manifesztálódnak az izomrostokon belüli speciális receptorok stimulálásához (például izomorsó rostok és Golgi-ín szervek), amelyek az ízületi pozíció információit továbbítják az agykéregnek. Az ilyen visszacsatolás a bőr mechanoreceptoraiból származó bőr szenzoros információival együtt a végtag propriocepció érzetét biztosítja számunkra, amely végső soron nagy pontosságú végtagszabályozást tesz lehetővé, még vizuális visszajelzés hiányában is.

Sajnálatos módon a felső végtag amputációjának standard operatív megközelítése akár AEA, akár BEA szinten megszünteti a sértetlen felső végtagra jellemző számos dinamikus kapcsolatot. A kezdeti műtéti expozíció jellemzően halszáj-mintás bemetszéssel történik, majd az izmok, erek, idegek és csontok progresszív átmetszése a bemetszés szintjén. A szerkezeti átmetszés helyétől távolabbi szöveteket eldobják, függetlenül attól, hogy léteznek-e életképes szegmensek vagy sem, és a proximális maradék izmokat a disztálisan átmetszett csontra rétegezik, hogy szigeteljék ezt a szabaddá vált csontfelületet. A környező bőr ezután a csont/izom szerkezet fölé kerül a végleges záródás elérése érdekében. A disztális végtag diszkordáns szöveteinek kezdetleges közelítése ebben a megközelítésben egy rendezetlen hegtömeget eredményez, amelyben a normál dinamikus izomkapcsolatok megsemmisülnek. A natív agonista/antagonista izompárok szétkapcsolása a maradék izomcsoportok izometrikus összehúzódását eredményezi akaratlagos aktiváláskor, ami hiányos, kiegyensúlyozatlan idegi visszacsatolást eredményez az agyban, ami a maradék végtag helyzetének aberrális észlelését eredményezi. Az ilyen zavart visszacsatolás nemcsak a végtag működésének károsodásához vezet protézisek esetén, hanem a végtag kóros szenzoros érzékelésében is megnyilvánul fantomvégtag- és fantomfájdalomtünetek formájában.

A mai napig ezeknek a megközelítéseknek a korlátait tolerálták a felső végtag amputáció meglehetősen leegyszerűsített célja miatt: stabil, párnázott felület biztosítása a protézis felszereléséhez. Történelmileg a felső végtag protézisek lehetőséget biztosítottak az amputált személyeknek arra, hogy legalább bizonyos mértékig helyreállítsák a felső végtag funkcióit. Az ilyen eszközök azonban általában nem tudták összefoglalni az emberi felső végtag összetett biomechanikáját a korlátozott mozgási tartományok és a visszacsatolás szabályozásának hiánya miatt. Ezek a korlátozások azt eredményezték, hogy a felső végtagi protézisek elutasítási aránya 23% és 45% között mozog, beleértve a testről táplált és a myoelektromos eszközöket is.

A modern protézisek képességei azonban mára jelentősen bővülnek. A technológiai fejlődés, beleértve az egyre miniatürizálódó elektronikát, a vezeték nélküli kommunikációt és az egyre finomodó helyzetérzékelőket, lehetővé tették a protézisfejlesztők számára, hogy új generációs bionikus végtagokat hozzanak létre a korábbi modellekhez képest jelentősen megnövelt szabadságfokkal. Jelenleg még fejlettebb protézisek fejlesztése folyik, amelyek soha nem látott módon képesek érzékelési visszajelzést adni – mind a tapintással, mind a helyzettel. Az ilyen protéziseszközöket, bár még nem kaphatók a kereskedelemben, jelenleg kísérleti körülmények között tanulmányozzák. Például a Védelmi Fejlett Kutatási Projektek Ügynöksége (DARPA) a közelmúltban pályázati kérelmet adott ki a Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX) program keretében, amely egy felső végtag protézist tartalmaz, amely hat szabadságfokot tartalmaz a csuklónál, a hüvelykujjnál és az összes számjegynél, 10 szenzoros visszacsatolásra képes nyomásérzékelők, valamint ízületi helyzetadatokat szolgáltatni képes csuklószög- és sebességérzékelők.

A protézisfejlesztés ezen technológiai fejlődése ellenére a maradék végtag kezelésére vonatkozó sebészeti módszerek nem tartottak lépést ezekkel a továbbfejlesztett protézis-képességekkel. A felső végtag amputációjának klasszikus technikái nem biztosítanak olyan beidegzett interfészeket, amelyek relékként szolgálhatnának a komplex protetikai vezérléshez; A következő generációs protézisek kevésbé hasznosak, ha a maradék végtagban nincsenek ilyen biológiai működtetők, amelyek afferens és efferens vezetékeket biztosítanak az információcseréhez. Másképpen megfogalmazva, a következő generációs protézisek jelenleg olyan meghajtókat és érzékelőket tartalmaznak, amelyek minden eddiginél sokkal jobb funkcionalitást képesek nyújtani, de a végtagamputáció szokásos megközelítései nem biztosítják a hatékony összekapcsolást ezeknek a protéziseknek a tervezett haszonélvezőivel. A felső végtag amputációinak evolúciójára van szükség – amely olyan biológiai interfészt biztosít, amely lehetővé teszi a felső végtag amputáltjai számára, hogy kihasználják a jelenleg fejlesztés alatt álló figyelemre méltó protézisek által kínált fokozott képességeket.

A protetikus végtagok hatékony idegi interfészek iránti megnövekedett igényének felismerése az elmúlt évtizedben ezen a területen végzett erőfeszítések bővülésében is megmutatkozik. A disztális protézisek nagy felbontású vezérlésére irányuló kezdeti erőfeszítések elsősorban a közvetett és a direkt agyi interfészekre összpontosultak, akár elektroencefalográfiás fejbőr-érzékelők, akár beültethető parenchymalis elektródák elhelyezésével. Az ilyen törekvéseket azonban megsínylette a rossz felbontás, a jelek felvételének következetlenségei, valamint a beültethető eszközök esetében a progresszív idegentest-reakciók, amelyek az impulzusok idővel leépüléséhez vezetnek.

Ahogy az agyi interfészek korlátai nyilvánvalóbbá váltak, a hangsúly inkább a perifériás kontrolllókuszokra helyeződött át. Az ebben a vénában végzett erőfeszítések magukban foglalták a közvetlen perifériás idegi interfészeket, beleértve a közbeiktatott szitákat és mandzsettákat, amelyeket arra terveztek, hogy az elektromos jeleket közvetlenül az egyes idegszálakról a disztális protézisekre továbbítsák. Az ilyen monitorok azonban csekély klinikai ígéretet mutattak a hegesedés következtében kialakuló progresszív idegkompresszió, valamint a jelentős neurológiai áthallás és a biológiai modellekben való interferencia miatt.

A perifériás idegi interfész fejlesztésével kapcsolatos legígéretesebb erőfeszítések ma már a biológiai rendszerek körébe tartoznak. Ezek a modellek olyan konfigurációkból állnak, amelyekben a natív szöveteket disztális idegvégződésekkel beidegzik, hogy biológiai aktuátorokat hozzanak létre a distalis protézis vezérléséhez és visszacsatolásához. A két vezető modell ezen a területen a következő:

• Célzott izom-újrainnerváció (TMR): Dumanian és Kuiken és munkatársai úttörőjeként a TMR egy olyan technika, amelynek során egy sor idegátvitelt alkalmaznak meghatározott célizmok újra beidegzésére, hogy további protézis-ellenőrző helyeket hozzanak létre a disztális végtag amputációja után.
• Regeneratív perifériás idegi interfészek (RPNI): A Cederna és munkatársai által támogatott RPNI a beidegzett biológiai interfész alternatív változatát kínálja. Az RPNI egy sebészeti konstrukció, amely egy nem vaszkularizált izomszegmensből áll, amely egy disztális motoros vagy szenzoros idegvégződéshez kapcsolódik.

Bár mind a TMR, mind az RPNI ígéretesnek bizonyult abban, hogy jobb funkcionalitást kínál a már amputáción átesett betegek számára, egyik technikát sem építették be az amputációk végrehajtásának alapvető újratervezésébe; a szakirodalomban eddig közölt TMR vagy RPNI klinikai megvalósításának minden esetben ezeket a technikákat alkalmazták a már végtagvesztésen átesett betegek funkcionalitásának további optimalizálására.

A klinikai protokoll a felső végtag amputációinak újbóli feltalálását javasolja, a TMR és az RPNI területén már elvégzett munkában megállapított elvek közül többre építve. Az alábbiakban kifejtettek szerint az alapvető innováció a disztális végtagszövetek felhasználása, amelyeket általában fel kell áldozni az alsó végtagok szokásos amputációi során, hogy szubsztrátot biztosítsanak az agonista/antagonista izmok natívan beidegzett párosításaihoz, amelyek nem csak intuitív, akaratlagos motoros aktiválásra képesek, hanem proprioceptív visszacsatolás is. Koncepcionálisan ez az ötlet biológiailag ellentétes izmok (például bicepsz és tricepsz) fizikai összekapcsolásából áll, így amikor az egyik izom neurológiailag kiváltott összehúzódása történik, a partner egyidejű nyújtása is megvalósul, ami a diád megfigyelhető mozgását és stimulációt eredményez. standard proprioceptív útvonalak. A kutatók ezt a konstrukciót agonista-antagonista myoneurális interfésznek (AMI) nevezték el.

Az a mód, ahogyan ez a dinamikus agonista/antagonista izomkoncepció klinikailag operacionalizálható, attól függ, hogy vannak-e ép, beidegzett és vaszkularizált natív izmok a műtéti beavatkozás időpontjában. Az elmúlt öt év során a kutatócsoport kísérleti modelleket dolgozott ki különféle klinikai forgatókönyvekhez egy sor preklinikai vizsgálat során, egér- és kecskepopuláción egyaránt.

Ha rekonstrukciós szubsztrátként egészséges natív izom áll rendelkezésre, a dezinszertált agonista/antagonista párok disztális végeinek koaptációja beépíthető a maradék végtag tervezésébe; ha natív szinoviális csatornával, mint siklófelülettel párosul, egy tárcsaszerű rendszer hozható létre, amely dinamikus izomkonstrukciót biztosít. Az AMI-k felépítése patkánymodellben a szerkezet izomtömegének megőrzését, az idő múlásával való életképességet és osztályozott afferens jelek termelését mutatta ki a rámpa- és tartási nyújtásokra válaszul, a natív izomszerkezethez hasonló módon. Ezenkívül a transztibiális szinten végzett amputáció az AMI-konstrukció kecskemodellbe történő beépítésével az agonista-antagonista pár egyértelmű összekapcsolt mozgását mutatta természetes idegi parancsok és mesterséges izom stimuláció jelenlétében.

Ezen elméleti állatkísérletek alapján a kutatók azt feltételezik, hogy az AMI lehetőséget kínál arra, hogy biológiai relét biztosítson az akaratlagos vezérléshez, amely felülmúlja a többi idegi interfész stratégiát, azzal a további előnnyel, hogy képes helyreállítani a végtag propriocepcióját. Egy megfelelően adaptált következő generációs protézissel összekapcsolva az AMI így biztosíthatja az első biológiai mechanizmust a valódi zárt hurkú idegi interaktivitás eléréséhez mechanikus végtaggal.

A kutatók hároméves, prospektív, ellenőrzött értékelést javasolnak a módosított amputációs modell funkcionális és szomatoszenzoros előnyeinek felső végtagi forgatókönyvében. A kutatók úgy vélik, hogy ez a modell képes a felső végtag amputáltak számára olyan biológiai interfészt biztosítani, amely nem csak példátlan, nagy felbontású motoros vezérlést kínál a protéziseknél, hanem rendkívül intuitív és képes a végtag propriocepciójának helyreállítására is. Ha megnyilvánulnak, ezek a kibővített képességek jobb funkcionalitást és általános egészségügyi eredményeket eredményezhetnek, beleértve a munkába való visszatérést és a pszichés megterhelés csökkenését.