Somatotopowa konfiguracja dystalnych resztkowych tkanek kończyny w amputacjach kończyn dolnych

Tło historyczne

Amputacja kończyn dolnych należy do najstarszych znanych zabiegów chirurgicznych w historii medycyny. Jednak mimo upływu ponad dwóch tysiącleci stosunkowo niewiele zmieniło się w podejściu operacyjnym. Obecnie amputacja kończyny dolnej jest wskazana najczęściej w przypadku upośledzenia kończyny dolnej spowodowanego ciężką chorobą naczyń obwodowych, a następnie w krótkim czasie urazami, nowotworami, infekcjami i wrodzonymi wadami kończyn. Szacunkowa częstość amputacji kończyn dolnych waha się od 30 000 do 40 000 przypadków rocznie w samych Stanach Zjednoczonych.

Normalne funkcjonowanie kończyny dolnej jest możliwe dzięki współdziałaniu wielu grup mięśni działających wspólnie. Poruszanie się jest niezwykle zorganizowanym procesem biomechanicznym, który jest zależny od złożonej pętli sprzężenia zwrotnego obejmującej ośrodkowy i obwodowy układ nerwowy oraz układ mięśniowo-szkieletowy. W stanie natywnym mięśnie kończyn dolnych istnieją w zrównoważonym środowisku agonistycznym/antagonistycznym, w którym wolicjonalna aktywacja jednego mięśnia prowadzi nie tylko do jego przykurczu, ale także do biernego rozciągania jego przeciwieństwa. Zmiany napięcia mięśniowego objawiające się tymi zmianami prowadzą do stymulacji wyspecjalizowanych receptorów we włóknach mięśniowych, które przekazują informację o położeniu stawu do kory mózgowej. Takie sprzężenie zwrotne, w połączeniu ze skórnymi informacjami sensorycznymi z mechanoreceptorów skóry, zapewnia nam poczucie propriocepcji kończyny, co ostatecznie umożliwia kontrolę kończyny z dużą dokładnością, nawet przy braku wizualnego sprzężenia zwrotnego.

Jednak standardowe podejście operacyjne do amputacji kończyny dolnej na poziomie poniżej kolana (BKA) lub powyżej kolana (AKA) zaciera wiele dynamicznych relacji charakterystycznych dla nieuszkodzonej kończyny dolnej. Początkowa ekspozycja odbywa się poprzez nacięcie schodkowe (BKA) lub rybie usta (AKA), a następnie stopniowe przecinanie mięśni, naczyń, nerwów i kości na poziomie nacięcia. Tkanki dystalne do miejsca przecięcia strukturalnego są odrzucane, niezależnie od tego, czy mogą istnieć żywe segmenty, a proksymalne resztkowe mięśnie są nakładane na dystalną przeciętą kość, aby zapewnić izolację tej odsłoniętej powierzchni kostnej. Otaczająca skóra jest następnie przesuwana po infrastrukturze kości/mięśni w celu uzyskania ostatecznego zamknięcia. Podstawowe zbliżenie tkanek dystalnej części kończyny w tych podejściach skutkuje zdezorganizowaną masą bliznowatą, w której normalne dynamiczne relacje mięśniowe są zniszczone. Rozłączenie natywnych par mięśni agonista/antagonista skutkuje izometrycznym skurczem resztkowych grup mięśni po wolicjonalnej aktywacji, wytwarzając niepełne, niezrównoważone neuronowe sprzężenie zwrotne do mózgu, co skutkuje nieprawidłowym postrzeganiem pozycji resztkowej kończyny. Takie zaburzone sprzężenie zwrotne skutkuje nie tylko upośledzeniem funkcji chodzenia przy protezach, ale również objawia się patologiczną percepcją czuciową kończyny w postaci fantomowej kończyny i objawami bólu fantomowego.

Do tej pory świadczeniodawcy i pacjenci tolerowali ograniczenia tych podejść ze względu na dość uproszczony cel amputacji kończyny dolnej: zapewnienie stabilnej, wyściełanej powierzchni do mocowania protezy. W przeszłości protezy kończyn dolnych dawały osobom po amputacji możliwość odzyskania przynajmniej części funkcji ambulatoryjnych. Standardowe protezy kończyn dolnych obecnie umożliwiają noszącemu podstawowe chodzenie, a także okazjonalne bieganie. Jednak takie urządzenia generalnie nie były w stanie odtworzyć złożonej biomechaniki ludzkiej kończyny dolnej ze względu na ograniczone zakresy ruchu i brak kontroli sprzężenia zwrotnego. Te ograniczenia doprowadziły do ​​​​znacznie zmienionej kinematyki u osób po amputacji kończyn dolnych, co jest związane z zaburzeniami w profilach wydatkowania energii, które pogarszają się wraz z bocznością i poziomem wstępującym.

Nadchodzi jednak wiek, w którym możliwości nowoczesnych protez znacznie się poszerzają. Postęp technologiczny, w tym coraz bardziej miniaturyzowana elektronika, komunikacja bezprzewodowa i stale udoskonalane czujniki położenia, umożliwiły twórcom protez tworzenie bionicznych kończyn nowej generacji o znacznie zwiększonym stopniu swobody w porównaniu z poprzednimi modelami. Wykazano, że takie protezy znacznie poprawiają wydatek energetyczny osób po amputacji, które odpowiednio z nich korzystają. Obecnie trwają prace nad jeszcze bardziej zaawansowanymi protezami, które zapewniają aktywną wewnętrzną kontrolę kończyny w celu ułatwienia złożonych czynności motorycznych, takich jak taniec i utrzymywanie równowagi na jednej nodze. Ponadto obecnie opracowywane są prototypowe protezy, które mogą oferować sensoryczne sprzężenie zwrotne — zarówno dotykowe, jak i pozycyjne — w sposób, jakiego nigdy wcześniej nie widziano. Takie protezy, choć nie są jeszcze dostępne na rynku, są obecnie wykorzystywane w warunkach eksperymentalnych.

Temu postępowi technologicznemu w dziedzinie rozwoju protez nie dorównuje jednak postępowi chirurgicznemu w leczeniu kikuta. Klasyczne techniki amputacji kończyn dolnych nie zapewniają unerwionych interfejsów, które mogłyby służyć jako przekaźniki do złożonej kontroli protezy; bez takich biologicznych siłowników w kikucie, które zapewniają kanały wymiany informacji, protezy nowej generacji są mało przydatne. Innymi słowy, protezy nowej generacji zawierają obecnie sterowniki i czujniki zdolne do zapewnienia znacznie większej funkcjonalności niż kiedykolwiek wcześniej, ale standardowe podejścia do amputacji kończyn nie zapewniają sposobu na skuteczne powiązanie tych protez z ich zamierzonymi beneficjentami. Konieczna jest obecnie ewolucja sposobu przeprowadzania amputacji kończyn dolnych – taka, która zapewni interfejs biologiczny, który pozwoli osobom po amputacji kończyn dolnych skorzystać ze zwiększonych możliwości oferowanych przez niezwykłe protezy, które są obecnie opracowywane.

Poprzednie badania przedkliniczne lub kliniczne

Uznanie zwiększonej potrzeby skutecznych interfejsów neuronowych dla protez kończyn zostało potwierdzone rosnącą liczbą wysiłków w tej dziedzinie w ciągu ostatniej dekady. Początkowe wysiłki mające na celu zapewnienie wysokiej rozdzielczości kontroli dystalnych protez koncentrowały się głównie na bezpośrednich i pośrednich interfejsach mózgowych, poprzez umieszczenie odpowiednio elektroencefalograficznych czujników skóry głowy lub wszczepialnych elektrod miąższowych. Jednak takie wysiłki były nękane przez słabą rozdzielczość, niespójności w pozyskiwaniu sygnału i postępujące reakcje na ciało obce, prowadzące z czasem do degradacji impulsu.

Ponieważ ograniczenia interfejsów mózgowych stały się bardziej oczywiste, skupiono się na bezpośrednich interfejsach nerwów obwodowych, w tym umieszczonych między nimi sitach i mankietach zaprojektowanych do przekazywania sygnałów elektrycznych bezpośrednio z poszczególnych pęczków nerwowych do dystalnych protez. Takie monitory wykazały jednak niewielką obietnicę kliniczną ze względu na postępującą kompresję nerwów wtórną do bliznowacenia, a także znaczny przesłuch neurologiczny i zakłócenia w modelach biologicznych.

W związku z tym najbardziej obiecujące wysiłki dotyczące rozwoju interfejsów nerwów obwodowych dotyczą obecnie systemów biologicznych. Dwa wiodące modele w tej dziedzinie to:

• Ukierunkowane Reinnerwowanie Mięśni (TMR): TMR to technika, w której seria transferów nerwów jest wykorzystywana do ponownego unerwienia określonych mięśni docelowych w celu stworzenia dodatkowych protetycznych miejsc kontrolnych po amputacji proksymalnej kończyny. Te transfery nerwów zapewniają intuicyjną kontrolę dystalnych protez, ponieważ ponownie unerwione mięśnie są kontrolowane przez te same nerwy, które kiedyś unerwiały amputowaną kończynę. Sygnały wytwarzane przez pozostałe nerwy są wzmacniane przez mięśnie biorcy, które są wychwytywane przez elektrody powierzchniowe i przekazywane do dystalnej części protezy. Do tej pory procedury TMR wykonano u ponad 40 pacjentów. Ograniczenia tej techniki obejmują jednak skończoną liczbę dostępnych miejsc sygnału elektromiograficznego ze względu na ograniczenia anatomiczne i problemy z długoterminową wiernością sygnału.
• Regeneracyjne interfejsy nerwów obwodowych (RPNI): RPNI oferuje alternatywną wersję unerwionego interfejsu biologicznego. RPNI to konstrukcja chirurgiczna, która składa się z nieunaczynionego segmentu mięśnia, który jest połączony z dystalnym zakończeniem nerwu ruchowego lub czuciowego. W przeciwieństwie do TMR, mięsień RPNI nie jest rekrutowany z normalnie unerwionego mięśnia proksymalnego; zamiast tego jest skonstruowany jako wolny przeszczep z tkanki dawcy pobranej ortotopowo. Segment mięśniowy jest stopniowo ponownie unerwiany przez przekierowane zakończenie nerwowe, które następnie sprzyja wolicjonalnej aktywacji segmentu mięśniowego, gdy jest wyzwalane przez ośrodkowy układ nerwowy. Podobnie jak w TMR, intuicyjna kontrola występuje, ponieważ ponownie unerwione mięśnie są kontrolowane przez te same nerwy, które kiedyś unerwiały amputowaną kończynę. Jednak w przeciwieństwie do TMR nie ma ograniczeń co do miejsc anatomicznych i nie wydaje się, aby występowały problemy z długoterminową wiernością sygnału.

Chociaż zarówno TMR, jak i RPNI okazały się obiecujące w oferowaniu lepszej funkcjonalności pacjentom, którzy już przeszli amputację, żadna technika nie została włączona do fundamentalnego przeprojektowania sposobu wykonywania amputacji w pierwszej kolejności; we wszystkich dotychczas opisanych w piśmiennictwie przypadkach klinicznej realizacji TMR lub RPNI techniki te były stosowane w celu dalszej optymalizacji funkcjonalności pacjentów, którzy już doświadczyli utraty kończyny.

Uzasadnienie i potencjalne korzyści

Ten protokół kliniczny proponuje iterację modelu RPNI, z zamiarem włączenia tych konstrukcji chirurgicznych do projektu amputacji kończyn dolnych w czasie poświęcenia kończyny. Biorąc pod uwagę dotychczasowy sukces tej techniki, badacze uważają, że włączenie unerwionych segmentów mięśni do projektu kikuta może potencjalnie zapewnić osobom po amputacji kończyn dolnych biologiczny interfejs do bezprecedensowej protetycznej kontroli motorycznej, która jest nie tylko w wysokiej rozdzielczości, ale także wysoce intuicyjna i zdolne do przywrócenia propriocepcji kończyny. Ponadto przewiduje się, że umożliwienie osobom po amputacji większej kontroli nad zaawansowanymi protezami może oferować możliwość normalizacji kinematyki chodu, korygując w ten sposób zmiany wydatku energetycznego, które zostały wcześniej zgłoszone. Takie środki dają nadzieję na optymalizację funkcjonalnego i ogólnego stanu zdrowia osób po amputacji kończyn dolnych, zmniejszając w ten sposób zachorowalność obecnie związaną ze statusem osoby po amputacji.

Konkretne cele

Hipotezą tego protokołu badawczego jest to, że będziemy w stanie przeprojektować sposób przeprowadzania amputacji kończyn dolnych, tak aby uwzględnić biologiczne siłowniki, które umożliwią pomyślne zastosowanie protez kończyn dolnych nowej generacji. Szczegółowe cele projektu są następujące:

1. Zdefiniowanie znormalizowanego podejścia do wykonywania nowej procedury operacyjnej zarówno w przypadku amputacji poniżej kolana (BKA), jak i powyżej kolana (AKA)
2. Aby zmierzyć stopień wolicjonalnej aktywacji motorycznej i ruchu możliwego do osiągnięcia w konstruktach kikuta oraz określić optymalną konfigurację i projekt takich konstruktów
3. Opisanie zakresu sprzężenia zwrotnego proprioceptywnego i innych sensorycznych, które można osiągnąć dzięki zastosowaniu tych zmodyfikowanych technik chirurgicznych
4. Walidacja funkcjonalnej i somatosensorycznej wyższości proponowanej techniki amputacji nad standardowymi podejściami do BKA i AKA
5. Opracowanie zmodyfikowanej strategii ostrej rehabilitacji pooperacyjnej dostosowanej do tego nowego podejścia chirurgicznego