Een nieuwe benadering van amputatie van de bovenste ledematen om de wilscontrole te vergroten en de proprioceptie te herstellen

Amputatie van de bovenste ledematen is een van de oudst bekende chirurgische ingrepen in de medische geschiedenis, en veel van de technische principes ervan zijn voor het eerst opgehelderd door Hippocrates. Ondanks het verstrijken van meer dan twee millennia is er relatief weinig veranderd in de operatieve benadering van het offeren van de bovenste ledematen. Naar schatting 58.000 patiënten in de Verenigde Staten lijden momenteel aan verlies van de bovenste ledematen op het niveau boven de elleboog (AEA) of onder de elleboog (BEA), en de prevalentie van amputatie van de bovenste ledematen zal naar verwachting stijgen tot ongeveer 95.000 patiënten in 2050.

De normale functie van de bovenste ledematen wordt mogelijk gemaakt door het dynamische samenspel van meerdere spiergroepen die samenwerken. Handvaardigheid is een opmerkelijk georkestreerd biomechanisch proces dat afhankelijk is van een complexe feedbacklus waarbij het centrale en perifere zenuwstelsel en het bewegingsapparaat betrokken zijn. In hun natuurlijke staat bevinden de spieren van de bovenste extremiteit zich in een gebalanceerde agonist/antagonist-situatie waarin de bewuste activering van één spier niet alleen leidt tot contractuur, maar ook tot passieve uitrekking van de tegenovergestelde spier. Veranderingen in spierspanning die zich manifesteren door deze interactie van agonistische en antagonistische eenheden, leiden tot stimulatie van gespecialiseerde receptoren in de spiervezels (bijv. Spierspoelvezels en Golgi-peesorganen) die informatie over de gewrichtspositie doorgeven aan de hersenschors. Dergelijke feedback, in combinatie met cutane sensorische informatie van mechanoreceptoren van de huid, geeft ons een gevoel van proprioceptie van ledematen dat uiteindelijk high-fidelity ledemaatcontrole mogelijk maakt, zelfs als er geen visuele feedback is.

Helaas maakt de standaard operatieve benadering van amputatie van de bovenste ledematen op AEA- of BEA-niveau een einde aan veel van de dynamische relaties die kenmerkend zijn voor de niet-verwonde bovenste extremiteit. De initiële chirurgische blootstelling wordt meestal bereikt door een incisie met een vissenbekpatroon, gevolgd door een progressieve doorsnijding van spieren, vaten, zenuwen en botten ter hoogte van de incisie. Weefsels distaal van de plaats van structurele doorsnijding worden weggegooid, ongeacht of er al dan niet levensvatbare segmenten zijn, en de proximale restspieren worden in lagen over het distale doorgesneden bot gelegd om dit blootgestelde botoppervlak te isoleren. De omringende huid wordt vervolgens over de bot-/spierconstructie voortbewogen om een ​​definitieve sluiting te bereiken. De rudimentaire benadering van disharmonische weefsels in het distale ledemaat bij deze benadering resulteert in een ongeorganiseerde littekenmassa waarin normale dynamische spierrelaties worden vernietigd. De ontkoppeling van spierparen van de oorspronkelijke agonist/antagonist resulteert in isometrische contractie van restspiergroepen bij wilsactivering, wat leidt tot onvolledige, onevenwichtige neurale feedback naar de hersenen die resulteert in een afwijkende perceptie van de positie van de restledemaat. Dergelijke verstoorde feedback leidt niet alleen tot verminderde ledemaatfunctie met prothesen, maar manifesteert zich ook als pathologische zintuiglijke waarneming van de extremiteit in de vorm van fantoomledemaat- en fantoompijnsymptomen.

Tot op heden werden de beperkingen van deze benaderingen getolereerd vanwege het tamelijk simplistische doel van amputatie van de bovenste ledematen: een stabiel, opgevuld oppervlak bieden voor het monteren van een prothese. Historisch gezien hebben prothesen van de bovenste ledematen geamputeerden de mogelijkheid geboden om ten minste een zekere mate van functie van de bovenste ledematen te herstellen. Dergelijke apparaten zijn echter over het algemeen niet in staat geweest om de complexe biomechanica van de menselijke bovenste ledematen samen te vatten vanwege beperkte bewegingsbereiken en gebrek aan feedbackcontrole. Deze beperkingen hebben geresulteerd in gerapporteerde afwijzingspercentages van prothesen voor de bovenste ledematen variërend van 23% tot 45%, inclusief zowel door het lichaam aangedreven als myo-elektrische apparaten.

De mogelijkheden van moderne prothesen breiden zich nu echter opmerkelijk uit. Technologische vooruitgang, waaronder steeds meer geminiaturiseerde elektronica, draadloze communicatie en steeds verfijndere positiesensoren, hebben prothetische ontwikkelaars in staat gesteld om bionische ledematen van de volgende generatie te creëren met sterk verbeterde vrijheidsgraden ten opzichte van eerdere modellen. Er worden momenteel nog geavanceerdere prothesen ontwikkeld die het potentieel hebben om sensorische feedback te geven - zowel tactiel als positioneel - op een manier die nog nooit eerder is gezien. Hoewel dergelijke prothetische apparaten nog niet in de handel verkrijgbaar zijn, worden ze momenteel in experimentele omgevingen bestudeerd. Zo heeft het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) onlangs een verzoek ingediend voor voorstellen in het kader van het Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX)-programma met een prothese voor de bovenste ledematen, inclusief zes vrijheidsgraden bij de pols, duim en alle cijfers, 10 druksensoren die sensorische feedback kunnen geven, en gewrichtshoek- en snelheidssensoren die gewrichtspositiegegevens kunnen leveren.

Ondanks deze technologische vooruitgang in de ontwikkeling van prothesen, hebben chirurgische methoden met betrekking tot het beheer van het restledemaat geen gelijke tred gehouden met deze verbeterde prothesemogelijkheden. Klassieke technieken voor amputatie van de bovenste ledematen bieden geen geïnnerveerde interfaces die kunnen dienen als relais voor complexe prothetische controle; zonder dergelijke biologische actuatoren in het restledemaat om afferente en efferente kanalen voor informatie-uitwisseling te bieden, zijn prothesen van de volgende generatie van weinig nut. Anders gezegd, prothetische apparaten van de volgende generatie bevatten momenteel stuurprogramma's en sensoren die veel meer functionaliteit kunnen bieden dan ooit tevoren, maar standaardbenaderingen van ledemaatamputatie bieden geen manier om deze protheses effectief te koppelen aan hun beoogde begunstigden. Er is nu een evolutie nodig in de manier waarop amputaties van de bovenste ledematen worden uitgevoerd - een die een biologische interface zal bieden waarmee geamputeerden van de bovenste ledematen kunnen profiteren van de verbeterde mogelijkheden van de opmerkelijke prothesen die momenteel in ontwikkeling zijn.

Erkenning van de toegenomen behoefte aan effectieve neurale interfaces voor prothetische ledematen kan worden gezien in het groeiende aantal inspanningen op dit gebied in de afgelopen tien jaar. Aanvankelijke pogingen om distale prothesen met hoge resolutie te besturen, waren voornamelijk gericht op indirecte en directe herseninterfaces, hetzij door plaatsing van respectievelijk elektro-encefalografische hoofdhuidsensoren of implanteerbare parenchymale elektroden. Dergelijke pogingen werden echter geplaagd door een slechte resolutie, inconsistenties in signaalverwerving en, in het geval van implanteerbare apparaten, progressieve reacties op vreemde lichamen die na verloop van tijd tot impulsverslechtering leiden.

Naarmate de beperkingen van herseninterfaces duidelijker zijn geworden, is de focus in plaats daarvan verschoven naar perifere controleloci. Pogingen in deze geest omvatten directe perifere zenuwinterfaces, waaronder tussengeplaatste zeven en manchetten die zijn ontworpen om elektrische signalen rechtstreeks van individuele zenuwbundels naar distale prothesen over te brengen. Dergelijke monitoren hebben echter weinig klinische belofte getoond vanwege progressieve zenuwcompressie secundair aan littekens, evenals significante neurologische overspraak en interferentie in biologische modellen.

De meest veelbelovende inspanningen met betrekking tot de ontwikkeling van perifere zenuwinterfaces bevinden zich nu op het gebied van biologische systemen. Deze modellen bestaan ​​uit configuraties waarin inheemse weefsels worden geïnnerveerd met distale zenuwuiteinden om biologische actuatoren te creëren voor controle en feedback van de distale prothese. De twee leidende modellen op dit gebied zijn als volgt:

• Gerichte spierreïnnervatie (TMR): ontwikkeld door Dumanian en Kuiken et al. TMR is een techniek waarbij een reeks zenuwoverdrachten wordt gebruikt om specifieke doelspieren te reïnnerveren om extra controleplaatsen voor de prothese te creëren na amputatie van distale ledematen.
• Regeneratieve Peripheral Nerve Interfaces (RPNI): verdedigd door Cederna et al, biedt RPNI een alternatieve versie van een geïnnerveerde biologische interface. Een RPNI is een chirurgische constructie die bestaat uit een niet-gevasculariseerd spiersegment dat is verbonden met een distaal motorisch of sensorisch zenuwuiteinde.

Hoewel zowel TMR als RPNI's veelbelovend zijn gebleken in het bieden van verbeterde functionaliteit aan patiënten die al een amputatie hebben ondergaan, is geen van beide technieken opgenomen in een fundamenteel herontwerp van de manier waarop amputaties in de eerste plaats worden uitgevoerd; in alle gevallen van klinische implementatie van TMR of RPNI's die tot nu toe in de literatuur zijn gerapporteerd, zijn deze technieken gebruikt om de functionaliteit van patiënten die al ledemaatverlies hadden ervaren verder te optimaliseren.

Het klinische protocol stelt een heruitvinding voor van de manier waarop amputaties van de bovenste ledematen worden uitgevoerd, voortbouwend op verschillende principes die zijn vastgelegd in het werk dat al is uitgevoerd op het gebied van TMR en RPNI's. Zoals hieronder wordt uitgelegd, is de kerninnovatie het gebruik van distale ledemaatweefsels die normaal gesproken zouden worden opgeofferd tijdens standaard amputaties van de onderste ledematen om het substraat te bieden voor native geïnnerveerde paren van agonist/antagonist-spieren die niet alleen in staat zijn tot intuïtieve, vrijwillige motorische activering, maar ook proprioceptieve feedback. Conceptueel bestaat dit idee uit een fysieke koppeling van biologisch tegengestelde spieren (bijv. de biceps en triceps), zodat wanneer neurologisch getriggerde samentrekking van één spier wordt bewerkstelligd, gelijktijdige uitrekking van zijn partner ook wordt bereikt, resulterend in waarneembare beweging van de dyade en stimulatie. van standaard proprioceptieve routes. De onderzoekers hebben dit construct de agonist-antagonist myoneural interface (AMI) genoemd.

De manier waarop dit dynamische agonist/antagonist-spierconcept klinisch kan worden geoperationaliseerd, hangt af van het al dan niet aanwezig zijn van intacte, geïnnerveerde en gevasculariseerde inheemse spieren op het moment van de operatieve ingreep. De afgelopen vijf jaar heeft de onderzoeksgroep experimentele modellen ontwikkeld voor een verscheidenheid aan klinische scenario's door middel van een reeks preklinische onderzoeken bij zowel muriene als geitenpopulaties.

Als er gezonde inheemse spieren beschikbaar zijn als reconstructief substraat, kan coaptatie van de distale uiteinden van niet-ingebrachte agonist/antagonist-paren worden opgenomen in het ontwerp van het restledemaat; in combinatie met een natuurlijk synoviaal kanaal als glijdende interface, kan een katrolachtig systeem tot stand worden gebracht om een ​​dynamische spierconstructie te bieden. Constructie van AMI's in een rattenmodel heeft aangetoond dat de spiermassa behouden blijft, levensvatbaarheid in de loop van de tijd en de productie van gegradeerde afferente signalen als reactie op hellings- en houdstrekkingen op een manier die vergelijkbaar is met de oorspronkelijke spierarchitectuur. Bovendien heeft de uitvoering van een amputatie op transtibiaal niveau met integratie van AMI-constructie in een geitenmodel een duidelijke gekoppelde beweging van het agonist-antagonist-paar aangetoond in aanwezigheid van zowel natuurlijke neurale commando's als kunstmatige spierstimulatie.

Op basis van deze proof-of-concept-dierstudies veronderstellen de onderzoekers dat de AMI het potentieel biedt om een ​​biologisch relais te bieden voor wilscontrole dat superieur is aan andere neurale interface-strategieën, met als bijkomend voordeel dat het de proprioceptie van ledematen kan herstellen. In combinatie met een op de juiste manier aangepaste prothese van de volgende generatie, kan de AMI dus het eerste biologische mechanisme bieden om echte neurale interactiviteit met een gesloten lus met een mechanisch ledemaat te bereiken.

De onderzoekers stellen hier een driejarige, prospectieve, gecontroleerde beoordeling voor van de functionele en somatosensorische voordelen van het gemodificeerde amputatiemodel in een scenario van de bovenste extremiteit. De onderzoekers geloven dat dit model het potentieel heeft om geamputeerden van de bovenste ledematen een biologische interface te bieden die niet alleen ongekende, hoge resolutie motorische controle van prothesen biedt, maar ook zeer intuïtief is en in staat is om de proprioceptie van de ledematen te herstellen. Indien manifest, kunnen deze verbeterde mogelijkheden resulteren in verbeterde functionaliteit en algehele gezondheidsresultaten, waaronder een robuustere terugkeer naar werkstatus en verminderde psychologische belasting.