En ny tilnærming til amputasjon av øvre ekstremiteter for å øke frivillig kontroll og gjenopprette propriosepsjon

Amputasjon av øvre ekstremiteter er blant de eldste kjente kirurgiske prosedyrene i medisinsk historie, med mange av dens tekniske prinsipper som først ble belyst av Hippokrates. Til tross for at mer enn to årtusener har gått, har relativt lite endret seg i den operative tilnærmingen til ofring av øvre lemmer. Anslagsvis 58 000 pasienter i USA lider for tiden av tap av øvre ekstremiteter enten på albuenivået (AEA) eller under albuenivået (BEA), og prevalensen av amputasjon av øvre ekstremiteter forventes å stige til omtrent 95 000 pasienter innen 2050.

Normal funksjon av overekstremiteten er aktivert gjennom det dynamiske samspillet mellom flere muskelgrupper som virker sammen. Manuell fingerferdighet 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 overekstremiteten i en balansert agonist/antagonist-situasjon der frivillig aktivering av en muskel ikke bare fører til dens kontraktur, men også til passiv strekking av dens motsatte. Endringer i muskelspenning manifesterer seg gjennom denne interaksjonen av agonist- og antagonistenheter fører til stimulering av spesialiserte reseptorer i muskelfibrene (f.eks. muskelspindelfibre og Golgi-seneorganer) som overfører leddposisjonsinformasjon til hjernebarken. Slik tilbakemelding, sammen med hudsensorisk informasjon fra hudmekanoreseptorer, gir oss en følelse av lempropriosepsjon som til slutt muliggjør lemkontroll med høy tro, selv i fravær av visuell tilbakemelding.

Dessverre utsletter den standard operative tilnærmingen til amputasjon av øvre lemmer på enten AEA- eller BEA-nivå mange av de dynamiske relasjonene som er karakteristiske for den uskadde øvre ekstremiteten. Initial kirurgisk eksponering oppnås vanligvis gjennom et fiskemunn-mønster, etterfulgt av progressiv transeksjon av muskler, kar, nerver og bein på nivå med 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 transeksjonerte beinet for å gi isolasjon til denne eksponerte beinoverflaten. Den omkringliggende huden føres deretter over bein-/muskelkonstruksjonen for å oppnå definitiv lukking. Den rudimentære tilnærmingen av uenig vev i det distale lemmet i denne tilnærmingen 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 fører ikke bare til nedsatt lemfunksjon med proteser, men viser seg også som patologisk sanseoppfatning av ekstremiteten i form av fantomlem og fantomsmertesymptomer.

Til dags dato har begrensningene ved disse tilnærmingene blitt tolerert på grunn av det ganske forenklede målet med amputasjon av øvre lemmer: å gi en stabil, polstret overflate for montering av en protese. Historisk sett har overekstremitetsproteser gitt amputerte muligheten til å gjenopprette i det minste et visst mål av overekstremitetsfunksjonen. Imidlertid har slike enheter generelt ikke vært i stand til å rekapitulere den komplekse biomekanikken til den menneskelige overekstremiteten på grunn av begrensede bevegelsesområder og mangel på tilbakemeldingskontroll. Disse begrensningene har resultert i rapporterte avvisningsrater for overekstremitetsprotese fra 23 % til 45 %, inkludert både kroppsdrevne og myoelektriske enheter.

Imidlertid utvides mulighetene til moderne proteser nå 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 sterkt forbedrede frihetsgrader sammenlignet med tidligere modeller. Det utvikles for tiden enda mer avanserte proteser som har potensial til å gi sensorisk tilbakemelding – både taktil og posisjonell – på en måte som aldri før er sett. Slike proteser, selv om de ennå ikke er kommersielt tilgjengelige, blir for tiden studert i eksperimentelle omgivelser. For eksempel sendte Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) nylig ut en forespørsel om forslag under Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX)-programmet som inkluderer en protese for øvre ekstremiteter inkludert seks frihetsgrader ved håndleddet, tommelen og alle sifre, 10 trykksensorer som er i stand til å gi sensorisk tilbakemelding, og leddvinkel- og hastighetssensorer som kan gi leddposisjonsdata.

Til tross for disse teknologiske fremskrittene innen proteseutvikling, har ikke kirurgiske metoder for håndtering av gjenværende lem holdt tritt med disse forbedrede proteseevnene. Klassiske teknikker for amputasjon av øvre lemmer gir ikke innerverte grensesnitt som kan tjene som releer for kompleks protesekontroll; uten slike biologiske aktuatorer i den resterende lem for å gi afferente og efferente kanaler for informasjonsutveksling, er neste generasjons proteser til liten nytte. Sagt på en annen måte, neste generasjons proteseenheter inkluderer for tiden drivere og sensorer som er i stand til å gi langt mer forbedret funksjonalitet enn noen gang før sett, men standardtilnærminger til amputasjon av lemmer gir ikke en måte å effektivt koble disse protesene til de tiltenkte mottakerne. En utvikling i måten amputasjoner av øvre lemmer utføres på - en som vil gi et biologisk grensesnitt som vil tillate amputerte overekstremiteter å dra nytte av de forbedrede egenskapene som tilbys av de bemerkelsesverdige protesene som for tiden er under utvikling - er nå nødvendig.

Erkjennelse av det økte behovet for effektive nevrale grensesnitt for protetiske lemmer kan sees i det økende antallet innsats på dette området det siste tiåret. Den første innsatsen for å gi høyoppløsningskontroll av distale proteser var primært fokusert på indirekte og direkte hjernegrensesnitt, enten gjennom plassering av henholdsvis elektroencefalografiske hodebunnssensorer eller implanterbare parenkymale elektroder. Imidlertid har slike bestrebelser vært plaget av dårlig oppløsning, inkonsistens i signalinnsamling og, når det gjelder implanterbare enheter, progressive fremmedlegemereaksjoner som fører til impulsnedbrytning over tid.

Etter hvert som begrensningene til hjernegrensesnitt har blitt tydeligere, har fokus i stedet skiftet til perifere kontrollloki. Anstrengelser i denne venen har inkludert 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.

Den mest lovende innsatsen angående utvikling av perifer nervegrensesnitt er nå innenfor biologiske systemer. Disse modellene består av konfigurasjoner der naturlig vev innerveres med distale nerveender for å lage biologiske aktuatorer for distal protesekontroll og tilbakemelding. De to ledende modellene på dette området er som følger:

• Målrettet muskelreinnervasjon (TMR): Utviklet av Dumanian og Kuiken et al., er TMR en teknikk der en rekke nerveoverføringer brukes til å re-innervere spesifikke målmuskler for å skape ytterligere protesekontrollsteder etter amputasjon av distale lemmer.
• Regenerative Periferal Nerve Interfaces (RPNI): Forkjempet av Cederna et al, tilbyr RPNI 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.

Mens både TMR og RPNI 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 hadde opplevd tap av lemmer.

Den kliniske protokollen foreslår en gjenoppfinnelse av måten amputasjoner av øvre lemmer utføres på, og bygger på flere av prinsippene etablert i arbeidet som allerede er utført innen TMR- og RPNI-er. Som forklart nedenfor, er kjerneinnovasjonen bruken av distale lemvev som vanligvis vil bli ofret i løpet av standard amputasjoner av underekstremiteter for å gi underlaget for naturlig innerverte sammenkoblinger av agonist/antagonistmuskler som ikke bare er i stand til intuitiv, viljemotorisk aktivering, men også proprioseptive tilbakemeldinger. Konseptuelt består denne ideen av fysisk kobling av biologisk motsatte muskler (f.eks. biceps og triceps) slik at når nevrologisk utløst sammentrekning av en muskel utføres, oppnås samtidig strekking av partneren, noe som resulterer i observerbar bevegelse av dyaden og stimulering. av standard proprioseptive veier. Etterforskerne har kalt denne konstruksjonen agonist-antagonist myoneural interface (AMI).

Måten som dette dynamiske agonist/antagonist muskelkonseptet kan operasjonaliseres klinisk avhenger av hvorvidt intakte, innerverte og vaskulariserte native muskler er tilstede på tidspunktet for operativ intervensjon. I løpet av de siste fem årene har forskergruppen utviklet eksperimentelle modeller for en rekke kliniske scenarier gjennom en rekke prekliniske undersøkelser i både murine og geitpopulasjoner.

Hvis sunn naturlig muskel er tilgjengelig som et rekonstruktivt substrat, kan koaptering av de distale endene av desinserterte agonist-/antagonist-par inkorporeres i utformingen av det resterende lemmet; når kombinert med en naturlig synovial kanal som et glidende grensesnitt, kan et trinse-lignende system etableres for å gi en dynamisk muskelkonstruksjon. Konstruksjon av AMI-er i en rottemodell har demonstrert bevaring av konstruksjonsmuskelbulk, levedyktighet over tid og produksjon av graderte afferente signaler som respons på rampe- og holdestrekninger på en måte som ligner på naturlig muskelarkitektur. Videre har utførelse av en amputasjon på transtibialnivå med inkorporering av AMI-konstruksjon i en geitmodell demonstrert tydelig koblet bevegelse av agonist-antagonist-paret i nærvær av både naturlige nevrale kommandoer og kunstig muskelstimulering.

Basert på disse proof of concept dyrestudiene, antar etterforskerne at AMI tilbyr potensialet til å gi et biologisk relé for frivillig kontroll som er overlegent andre nevrale grensesnittstrategier, med den ekstra fordelen av å kunne gjenopprette lempropriosepsjon. Når kombinert med en passende tilpasset neste generasjons protese, kan AMI dermed gi den første biologiske mekanismen for å oppnå ekte lukket sløyfe nevral interaktivitet med et mekanisk lem.

Etterforskerne her foreslår en treårig, prospektiv, kontrollert vurdering av de funksjonelle og somatosensoriske fordelene ved den modifiserte amputasjonsmodellen i et scenarie for øvre ekstremiteter. Etterforskerne mener denne modellen har potensialet til å gi amputerte overekstremiteter et biologisk grensesnitt som ikke bare tilbyr enestående, høyoppløselig motorisk kontroll av proteser, men som også er svært intuitiv og i stand til å gjenopprette lempropriosepsjon. Hvis de er åpenbare, kan disse utvidede egenskapene resultere i forbedret funksjonalitet og generelle helseresultater, inkludert mer robust status for tilbakevending til arbeid og redusert psykologisk belastning.