Somatotopisk konfigurasjon av distale gjenværende lemvev ved amputasjoner av nedre ekstremiteter

Historisk bakgrunn

Amputasjon av underekstremiteter er blant de eldste kjente kirurgiske prosedyrene i medisinsk historie. Til tross for at over to årtusener har gått, har relativt lite endret seg i den operative tilnærmingen. For tiden er amputasjon av underekstremiteter indisert oftest for kompromittering av nedre ekstremiteter på grunn av alvorlig perifer vaskulær sykdom, etterfulgt på kort tid av traumer, svulster, infeksjoner og medfødte lemmermangler. Estimater av frekvensen av amputasjoner av underekstremiteter varierer fra 30 000-40 000 tilfeller per år i USA alene.

Normal funksjon av underekstremiteten aktiveres gjennom samspillet mellom flere muskelgrupper som virker sammen. Ambulasjon er en bemerkelsesverdig orkestrert biomekanisk prosess som er avhengig av en kompleks tilbakemeldingssløyfe som involverer det sentrale og perifere nervesystemet og muskel- og skjelettsystemet. I sin opprinnelige tilstand eksisterer musklene i underekstremiteten i et balansert agonist/antagonistmiljø der frivillig aktivering av en muskel ikke bare fører til kontraktur, men også passiv strekking av dens motsatte. Endringer i muskelspenning manifesterer seg gjennom disse endringene fører til stimulering av spesialiserte reseptorer i muskelfibrene som overfører leddposisjonsinformasjon til hjernebarken. Slik tilbakemelding, i forbindelse med hudsensorisk informasjon fra hudmekanoreseptorer, gir oss en følelse av lempropriosepsjon som til slutt muliggjør lemkontroll med høy kvalitet, selv i fravær av visuell tilbakemelding.

Standard operative tilnærming til amputasjon av underekstremiteter på enten under kne (BKA) eller over kne (AKA) nivå utsletter mange av de dynamiske relasjonene som er karakteristiske for den uskadde underekstremiteten. Innledende eksponering oppnås enten gjennom et trappetrinn (BKA) eller fiskemunn (AKA) mønstersnitt, etterfulgt av progressiv transeksjon av muskler, kar, nerver og bein på nivået av snittet. Vev distalt for det strukturelle transeksjonsstedet kasseres, uavhengig av om det kan være levedyktige segmenter eller ikke, og de proksimale restmusklene legges over det distale transekserte beinet for å gi isolasjon til denne eksponerte beinoverflaten. Den omkringliggende huden føres deretter over bein-/muskelinfrastrukturen for å oppnå definitiv lukking. Den rudimentære tilnærmingen av vev i den distale lem i disse tilnærmingene resulterer i en uorganisert arrmasse der normale dynamiske muskelforhold blir ødelagt. Frakoblingen av native agonist/antagonist muskelparinger resulterer i isometrisk sammentrekning av gjenværende muskelgrupper ved frivillig aktivering, og produserer ufullstendig, ubalansert nevrale tilbakemeldinger til hjernen som resulterer i avvikende oppfatning av gjenværende lemposisjon. Slik forstyrret tilbakemelding resulterer ikke bare i nedsatt ambulatorisk funksjon med proteser, men manifesterer seg også som patologisk sensorisk oppfatning av ekstremiteten i form av fantomlem og fantomsmertesymptomatologi.

Til dags dato har leverandørene og pasientene tolerert begrensningene ved disse tilnærmingene på grunn av det ganske forenklede målet med amputasjon av underekstremiteter: å gi en stabil, polstret overflate for protesemontering. Historisk sett har underekstremitetsproteser gitt amputerte muligheten til å gjenopprette i det minste et visst mål av ambulatorisk funksjon. Standard proteser for underekstremiteter gir for øyeblikket brukeren mulighet til å gå på en rudimentær måte, i tillegg til å løpe av og til. Imidlertid har slike enheter generelt ikke vært i stand til å rekapitulere den komplekse biomekanikken til det menneskelige underekstremiteten på grunn av begrensede bevegelsesområder og mangel på tilbakemeldingskontroll. Disse begrensningene har resultert i vesentlig endret kinematikk hos amputerte underekstremiteter som er assosiert med forstyrrelser i energiforbruksprofiler som forverres med lateralitet og stigende nivå.

Det begynner imidlertid å gry en tidsalder hvor mulighetene til moderne proteser utvides bemerkelsesverdig. Teknologiske fremskritt inkludert stadig mer miniatyrisert elektronikk, trådløs kommunikasjon og stadig raffinerte posisjonssensorer har gjort det mulig for proteseutviklere å lage neste generasjons bioniske lemmer med markant forbedrede frihetsgrader i forhold til tidligere modeller. Slike proteser har vist seg å forbedre energiforbruket til amputerte som bruker dem på riktig måte. Enda mer avanserte proteser er for tiden under utvikling som inkluderer evnen til å gi aktiv egenkontroll av lemmer for å lette komplekse motoriske handlinger som dans og balansering på ett ben. I tillegg utvikles det for tiden prototypeproteser som har potensial til å gi sensorisk tilbakemelding - både taktil og posisjonell - på en måte som aldri før har vært vitne til. Slike proteser, selv om de ennå ikke er kommersielt tilgjengelige, blir for tiden brukt i eksperimentelle omgivelser.

Imidlertid har disse teknologiske fremskrittene innen proteseutvikling ikke blitt matchet med kirurgiske fremskritt når det gjelder håndtering av gjenværende lem. Klassiske teknikker for amputasjon av underekstremiteter gir ikke innerverte grensesnitt som kan tjene som releer for kompleks protesekontroll; uten slike biologiske aktuatorer i den resterende lem for å gi kanaler for informasjonsutveksling, er neste generasjons proteser til liten nytte. Sagt på en annen måte, neste generasjons proteser inkluderer for tiden drivere og sensorer som er i stand til å gi langt mer forbedret funksjonalitet enn noen gang tidligere sett, men standardtilnærminger til amputasjon av lemmer gir ikke en måte å effektivt koble disse protesene til de tiltenkte mottakerne. Det kreves nå en utvikling i måten amputasjoner av underekstremiteter utføres på - en som vil gi et biologisk grensesnitt som vil tillate amputerte underekstremiteter å dra nytte av de forbedrede egenskapene som tilbys av de bemerkelsesverdige protesene som for tiden er under utvikling.

Tidligere prekliniske eller kliniske studier

Erkjennelse av det økte behovet for effektive nevrale grensesnitt for protetiske lemmer har blitt bevist av et økende antall innsats på dette området det siste tiåret. Den første innsatsen for å gi høyoppløsningskontroll av distale proteser var primært fokusert på direkte og indirekte hjernegrensesnitt, enten gjennom plassering av henholdsvis elektroencefalografiske hodebunnssensorer eller implanterbare parenkymelektroder. Imidlertid har slike anstrengelser vært plaget av dårlig oppløsning, inkonsekvenser i signalinnsamling og progressive fremmedlegemereaksjoner som har ført til impulsnedbrytning over tid.

Etter hvert som begrensningene til hjernegrensesnitt har blitt tydeligere, har fokus skiftet til direkte perifere nervegrensesnitt inkludert innsatte sikter og mansjetter designet for å transdusere elektriske signaler direkte fra individuelle nervefascikler til distale proteser. Slike monitorer har imidlertid vist lite klinisk løfte på grunn av progressiv nervekompresjon sekundært til arrdannelse, samt betydelig nevrologisk krysstale og interferens i biologiske modeller.

Som sådan er den mest lovende innsatsen angående utvikling av perifer nervegrensesnitt nå innenfor biologiske systemer. De to ledende modellene på dette området er som følger:

• Målrettet muskelreinnervasjon (TMR): TMR er en teknikk der en rekke nerveoverføringer brukes til å reinnervere spesifikke målmuskler for å skape ytterligere protetiske kontrollsteder etter amputasjon av proksimal lem. Disse nerveoverføringene gir intuitiv kontroll over distale proteser fordi de reinnerverte musklene styres av de samme nervene som en gang innerverte det amputerte lemmet. Signaler skapt av de resterende nervene forsterkes av mottakermusklene, som fanges opp av overflateelektroder og transduseres til den distale protesen. TMR-prosedyrer har blitt utført på mer enn 40 pasienter til dags dato. Begrensninger for denne teknikken inkluderer imidlertid det endelige antallet tilgjengelige elektromyografiske signalsteder på grunn av anatomiske begrensninger og problemer med langsiktig signaltrohet.
• Regenerative Peripheral Nerve Interfaces (RPNI): RPNI tilbyr en alternativ versjon av et innervert biologisk grensesnitt. En RPNI er en kirurgisk konstruksjon som består av et ikke-vaskularisert muskelsegment som er koblet til en distal motorisk eller sensorisk nerveende. I motsetning til TMR, rekrutteres ikke RPNI-muskelen fra en ellers normalt innervert proksimal muskel; i stedet er det konstruert som et fritt transplantat fra ortotopisk hentet donorvev. Muskelsegmentet blir gradvis reinnervert av den omdirigerte nerveenden, som deretter fremmer frivillig aktivering av muskelsegmentet når det utløses av sentralnervesystemet. Som i TMR oppstår intuitiv kontroll fordi de reinnerverte musklene styres av de samme nervene som en gang innerverte det amputerte lemmet. I motsetning til TMR er det imidlertid ingen begrensninger på anatomiske steder, og det ser ikke ut til å være problemer med langsiktig signaltrohet.

Mens både TMR og RPNI-er har vist lovende å tilby forbedret funksjonalitet til pasienter som allerede har gjennomgått amputasjon, har ingen av teknikkene blitt innlemmet i en grunnleggende redesign av måten amputasjoner utføres på i utgangspunktet; i alle tilfeller av klinisk implementering av TMR eller RPNI rapportert til dags dato i litteraturen, har disse teknikkene blitt brukt for å optimalisere funksjonaliteten til pasienter som allerede har opplevd tap av lemmer.

Begrunnelse og potensielle fordeler

Denne kliniske protokollen foreslår en iterasjon av RPNI-modellen, med den hensikt å inkorporere disse kirurgiske konstruksjonene i utformingen av amputasjoner av underekstremiteter på tidspunktet for lem ofring. Gitt suksessen til denne teknikken til dags dato, mener etterforskerne at inkorporering av innerverte muskelsegmenter i design av gjenværende lemmer har potensial til å gi amputerte underekstremiteter et biologisk grensesnitt for enestående protetisk motorkontroll som ikke bare er høy oppløsning, men også svært intuitiv og i stand til å gjenopprette lempropriosepsjon. I tillegg forventes det at det å tillate amputerte å ha større kontroll over avanserte proteser kan gi potensial til å normalisere gangskinematikk, og dermed korrigere endringer i energiforbruk som tidligere er rapportert. Slike tiltak har løftet om å optimere den funksjonelle og generelle helsen til amputerte underekstremiteter, og dermed redusere sykelighet som for tiden er forbundet med amputert status.

Spesifikke mål

Hypotesen til denne forskningsprotokollen er at vi vil være i stand til å redesigne måten amputasjoner av underekstremiteter utføres på for å inkludere biologiske aktuatorer som vil muliggjøre vellykket bruk av neste generasjons underekstremitetsproteser. De spesifikke målene for prosjektet er som følger:

1. Å definere en standardisert tilnærming til utførelsen av en ny operasjonsprosedyre for amputasjoner under kne (BKA) og over kne (AKA)
2. For å måle graden av viljemotorisk aktivering og ekskursjon som er oppnåelig i de gjenværende lemmerkonstruksjonene, og for å bestemme den optimale konfigurasjonen og utformingen av slike konstruksjoner
3. For å beskrive omfanget av proprioseptiv og annen sensorisk tilbakemelding som kan oppnås gjennom bruk av disse modifiserte kirurgiske teknikkene
4. For å validere den funksjonelle og somatosensoriske overlegenheten til den foreslåtte amputasjonsteknikken over standard tilnærminger til BKA og AKA
5. Å utvikle en modifisert akutt postoperativ rehabiliteringsstrategi tilpasset denne nye kirurgiske tilnærmingen