随意制御を強化し、固有受容感覚を回復する上肢切断への新しいアプローチ

上肢切断は、医学史上最も古い既知の外科手術の 1 つであり、その技術原理の多くはヒポクラテスによって最初に解明されました。 2000 年以上の経過にもかかわらず、上肢の犠牲への手術アプローチは比較的ほとんど変わっていません。 現在、米国では推定 58,000 人の患者が肘より上 (AEA) または肘より下 (BEA) レベルで上肢を失っており、上肢切断の患者数は 2050 年までに約 95,000 人に増加すると予想されています。

上肢の正常な機能は、協調して作用する複数の筋肉群の動的な相互作用によって可能になります。 手先の器用さは、中枢神経系、末梢神経系、および筋骨格系を含む複雑なフィードバック ループに依存する、非常に組織化された生体力学的プロセスです。 本来の状態では、上肢の筋肉はバランスの取れたアゴニスト/アンタゴニストの状態で存在し、一方の筋肉の自発的な活性化がその拘縮だけでなく、反対側の受動的なストレッチにもつながります。 このアゴニストとアンタゴニストのユニットの相互作用による筋緊張の変化は、関節位置情報を大脳皮質に伝達する筋線維 (筋紡錘線維やゴルジ腱器官など) 内の特殊な受容体の刺激につながります。 このようなフィードバックは、皮膚の機械受容器からの皮膚感覚情報と組み合わせて、視覚的なフィードバックがない場合でも、最終的に忠実度の高い四肢制御を可能にする四肢の固有受容感覚を提供します。

残念なことに、AEA または BEA レベルでの上肢切断に対する標準的な手術アプローチは、無傷の上肢に特徴的な動的関係の多くを消し去ってしまいます。 最初の外科的露出は、通常、フィッシュマウスパターンの切開によって行われ、その後、切開のレベルで筋肉、血管、神経、および骨が徐々に切断されます。 構造的切断部位の遠位にある組織は、生存可能なセグメントがあるかどうかに関係なく廃棄され、この露出した骨表面を断熱するために、遠位の切断された骨の上に近位の残留筋肉が重ねられます。 その後、最終的な閉鎖を達成するために、周囲の皮膚が骨/筋肉構造の上に進められます。 このアプローチにおける遠位肢の不調和な組織の初歩的な近似は、正常な動的な筋肉の関係が破壊される無秩序な瘢痕塊をもたらします。 ネイティブのアゴニスト/アンタゴニストの筋肉ペアリングの切り離しは、随意活性化時に残存筋肉群の等尺性収縮をもたらし、脳への不完全で不均衡な神経フィードバックを生成し、残存肢位置の異常な知覚をもたらします。 このようなフィードバックの乱れは、義肢による四肢機能の障害につながるだけでなく、幻肢や幻肢痛の症状という形で四肢の病理学的知覚として現れます。

今日まで、これらのアプローチの制限は、上肢切断のかなり単純化された目標、つまり義足を取り付けるための安定したパッド入りの表面を提供するために許容されてきました。 歴史的に、上肢義足は切断者に少なくともある程度の上肢機能を回復する機会を与えてきました。 しかし、このようなデバイスは一般的に、限られた可動範囲とフィードバック制御の欠如により、人間の上肢の複雑な生体力学を再現することができませんでした。 これらの制限により、23% から 45% の範囲で上肢義足の拒絶率が報告されています。

しかし、現在の義肢の機能は著しく拡張されています。 ますます小型化する電子機器、ワイヤレス通信、洗練された位置センサーなどの技術的進歩により、義肢開発者は、以前のモデルよりも自由度が大幅に向上した次世代のバイオニック義肢を作成できるようになりました。 これまでにない方法で、触覚と位置の両方の感覚フィードバックを提供する可能性を秘めた、さらに高度な人工装具が現在開発されています。 このような人工装具は、まだ市販されていませんが、現在、実験環境で研究されています。 たとえば、国防高等研究計画局 (DARPA) は最近、手首、親指、およびすべての指で 6 自由度を含む上肢義足を組み込んだ手、固有受容感覚およびタッチ インターフェース (HAPTIX) プログラムの下での提案要請を発行しました 10。感覚フィードバックを提供できる圧力センサー、および関節位置データを提供できる関節角度および速度センサー。

プロテーゼ開発におけるこれらの技術的進歩にもかかわらず、断端の管理に関する外科的方法は、これらの強化されたプロテーゼ機能に追いついていません。 上肢切断の古典的な技術は、複雑な義肢制御のリレーとして機能できる神経支配されたインターフェースを提供しません。情報交換のための求心性および遠心性導管を提供するためのそのような生物学的アクチュエータが断端になければ、次世代の人工装具はほとんど役に立たない。 別の言い方をすれば、現在、次世代の人工装具デバイスには、これまでにないほど高度な機能を提供できるドライバーとセンサーが組み込まれていますが、四肢切断に対する標準的なアプローチでは、これらの人工装具を意図された受益者に効果的に結び付ける方法が提供されていません。 上肢切断術の実施方法の進化 - 上肢切断者が現在開発中の注目すべき人工装具によって提供される強化された機能を利用できるようにする生物学的インターフェースを提供するもの - が現在必要とされています.

義肢用の効果的な神経インターフェースの必要性が高まっていることの認識は、過去 10 年間にこの分野での取り組みが拡大していることに見ることができます。 遠位プロテーゼの高解像度制御を提供するための最初の取り組みは、主に、脳波頭皮センサーまたは埋め込み型実質電極の配置のいずれかを介して、間接的および直接的な脳インターフェースに主に焦点を当てていました。 しかし、このような取り組みは、解像度の低さ、信号取得の不一致、および埋め込み型デバイスの場合、時間の経過に伴うインパルスの劣化につながる進行性の異物反応に悩まされてきました。

脳のインターフェースの限界がより明らかになるにつれて、焦点は代わりに末梢制御遺伝子座に移りました。 この静脈における努力には、個々の神経束から遠位プロテーゼに直接電気信号を変換するように設計された介在ふるいおよびカフを含む、直接的な末梢神経インターフェースが含まれています。 しかし、そのようなモニターは、瘢痕化に続く進行性の神経圧迫、ならびに生物学的モデルにおける重大な神経学的クロストークおよび干渉のために、ほとんど臨床的見込みを示していません。

末梢神経インターフェースの開発に関する最も有望な取り組みは、現在、生物学的システムの領域にあります。 これらのモデルは、ネイティブ組織が遠位神経終末で神経支配され、遠位プロテーゼの制御とフィードバックのための生物学的アクチュエーターを作成する構成で構成されています。 この分野の 2 つの主要なモデルは次のとおりです。

• Targeted Muscle Re-innervation (TMR): Dumanian と Kuiken らによって開発された TMR は、一連の神経伝達を使用して特定の標的筋肉を再神経支配し、四肢遠位切断後に追加のプロテーゼ制御部位を作成する技術です。
• Regenerative Peripheral Nerve Nerve Interfaces (RPNI): Cedernaらによって支持されたRPNIは、神経支配された生物学的インターフェースの代替バージョンを提供します。 RPNI は、遠位の運動神経終末または感覚神経終末に結合した筋肉の非血管新生セグメントで構成される外科的構造です。

TMR と RPNI の両方が、すでに切断を受けた患者に改善された機能を提供するという見込みを示していますが、どちらの技術も、そもそも切断が行われる方法の根本的な再設計には組み込まれていません。これまでに文献で報告されたTMRまたはRPNIの臨床的実施のすべてのケースで、これらの技術は、すでに四肢喪失を経験した患者の機能をさらに最適化するために採用されています。

臨床プロトコルは、TMR および RPNI の領域で既に行われた作業で確立されたいくつかの原則に基づいて、上肢切断が行われる方法の再発明を提案しています。 以下で詳しく説明するように、中核となる革新は、通常は標準的な下肢切断の過程で犠牲になる遠位肢組織の利用であり、直感的で自発的な運動活性化だけでなく、また、固有受容フィードバック。 概念的には、このアイデアは生物学的に反対の筋肉 (上腕二頭筋と上腕三頭筋など) の物理的な結合で構成され、神経学的にトリガーされた 1 つの筋肉の収縮が行われると、そのパートナーの同時ストレッチも達成され、ダイアドと刺激の観察可能な動きがもたらされます。標準的な固有受容経路の。 研究者は、この構築物をアゴニスト - アンタゴニスト筋神経界面 (AMI) と名付けました。

この動的アゴニスト/アンタゴニスト筋肉の概念を臨床的に運用できる方法は、手術介入時に無傷の、神経支配され、血管化された生来の筋肉が存在するかどうかに依存します。 過去 5 年間、研究グループは、マウスとヤギの両方の集団における一連の前臨床調査を通じて、さまざまな臨床シナリオの実験モデルを開発してきました。

健康なネイティブの筋肉が再建基質として利用できる場合、挿入されていないアゴニスト/アンタゴニストのペアの遠位端の接合は、断端の設計に組み込まれる可能性があります。滑走インターフェースとしてネイティブの滑膜管と組み合わせると、滑車のようなシステムを確立して、動的な筋肉構造を提供できます。 ラット モデルにおける AMI の構築は、ネイティブの筋肉アーキテクチャと同様の方法で、ランプおよびホールド ストレッチに応答して、構成筋のバルク、経時的な生存率、および段階的な求心性信号の生成の保存を実証しました。 さらに、ヤギモデルにAMI構造を組み込んだ下腿レベルでの切断のパフォーマンスは、自然な神経コマンドと人工筋肉刺激の両方の存在下で、アゴニストとアンタゴニストのペアの明確な連成運動を示しました。

これらの概念実証の動物研究に基づいて、研究者は、AMI が他の神経インターフェース戦略よりも優れた意志制御のための生物学的リレーを提供する可能性を提供し、四肢の固有受容を回復できるという追加の利点があると仮定しています。 適切に適合された次世代プロテーゼと組み合わせると、AMI は、機械的な肢との真の閉ループ神経相互作用を実現するための最初の生物学的メカニズムを提供する可能性があります。

ここで研究者は、上肢シナリオにおける修正された切断モデルの機能的および体性感覚の利点の 3 年間、前向き、制御された評価を提案します。 研究者らは、このモデルが義足の前例のない高解像度の運動制御を提供するだけでなく、非常に直感的で四肢の固有感覚を回復できる生物学的インターフェースを上肢切断者に提供する可能性があると考えています。 これらの拡張された機能が明らかになった場合、機能の改善と全体的な健康上の結果がもたらされる可能性があります。これには、より確実な職場復帰や心理的負担の軽減が含まれます。