Nowatorskie podejście do amputacji kończyny górnej w celu zwiększenia kontroli woli i przywrócenia propriocepcji

Amputacja kończyny górnej jest jedną z najstarszych znanych procedur chirurgicznych w historii medycyny, a wiele jej zasad technicznych zostało po raz pierwszy wyjaśnionych przez Hipokratesa. Pomimo upływu ponad dwóch tysiącleci stosunkowo niewiele zmieniło się w podejściu operacyjnym do poświęcenia kończyny górnej. Szacuje się, że 58 000 pacjentów w Stanach Zjednoczonych cierpi obecnie z powodu utraty kończyny górnej na poziomie powyżej łokcia (AEA) lub poniżej łokcia (BEA), a częstość amputacji kończyny górnej ma wzrosnąć do około 95 000 pacjentów do 2050 r.

Normalna funkcja kończyny górnej jest możliwa dzięki dynamicznej interakcji wielu grup mięśni działających wspólnie. Zręczność manualna 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 kończyny górnej znajdują się w zrównoważonej sytuacji agonisty/antagonisty, w której wolicjonalna aktywacja jednego mięśnia prowadzi nie tylko do jego przykurczu, ale także do biernego rozciągania przeciwnego. Zmiany napięcia mięśni przejawiające się w interakcji jednostek agonistów i antagonistów prowadzą do stymulacji wyspecjalizowanych receptorów we włóknach mięśniowych (np. 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.

Niestety, standardowe podejście operacyjne do amputacji kończyny górnej na poziomie AEA lub BEA zaciera wiele dynamicznych relacji charakterystycznych dla nieuszkodzonej kończyny górnej. Początkowa ekspozycja chirurgiczna jest zwykle wykonywana przez nacięcie przypominające rybie usta, po którym następuje 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 konstrukcie kości/mięśni w celu uzyskania ostatecznego zamknięcia. Podstawowe zbliżenie dysharmonijnych tkanek w dystalnej kończynie w tym dostępie 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 nie tylko prowadzi do upośledzenia funkcji kończyny z protezami, ale także objawia się patologiczną percepcją czuciową kończyny w postaci fantomowej kończyny i objawami bólu fantomowego.

Do tej pory ograniczenia tych podejść były tolerowane ze względu na dość uproszczony cel amputacji kończyny górnej: zapewnienie stabilnej, wyściełanej powierzchni do zamocowania protezy. W przeszłości protezy kończyn górnych dawały osobom po amputacji możliwość odzyskania przynajmniej części funkcji kończyny górnej. Jednak takie urządzenia generalnie nie były w stanie odtworzyć złożonej biomechaniki ludzkiej kończyny górnej ze względu na ograniczone zakresy ruchu i brak kontroli sprzężenia zwrotnego. Ograniczenia te spowodowały, że zgłaszane wskaźniki odrzucania protez kończyn górnych wahają się od 23% do 45%, w tym zarówno urządzeń zasilanych ciałem, jak i urządzeń mioelektrycznych.

Jednak możliwości nowoczesnych protez znacznie się rozszerzają. 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. Obecnie opracowywane są jeszcze bardziej zaawansowane protezy, które mogą oferować sensoryczne sprzężenie zwrotne - zarówno dotykowe, jak i pozycyjne - w sposób nigdy wcześniej nie widziany. Takie urządzenia protetyczne, choć nie są jeszcze dostępne na rynku, są obecnie badane w warunkach eksperymentalnych. Na przykład Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obronie (DARPA) wystosowała niedawno zapytanie ofertowe w ramach programu Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX), obejmującego protezę kończyny górnej obejmującą sześć stopni swobody w nadgarstku, kciuku i wszystkich palcach, 10 czujniki nacisku zdolne do dostarczania sensorycznej informacji zwrotnej oraz czujniki kąta i prędkości stawu zdolne do dostarczania danych dotyczących pozycji stawu.

Pomimo tych postępów technologicznych w rozwoju protez, metody chirurgiczne dotyczące leczenia kikuta nie nadążają za tymi ulepszonymi możliwościami protez. Klasyczne techniki amputacji kończyny górnej nie zapewniają unerwionych interfejsów, które mogłyby służyć jako przekaźniki do złożonej kontroli protetycznej; bez takich biologicznych siłowników w kikucie, które zapewniają kanały aferentne i eferentne do 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. Obecnie konieczna jest ewolucja sposobu przeprowadzania amputacji kończyn górnych – takiego, który zapewni biologiczny interfejs, który pozwoli osobom po amputacji kończyn górnych na wykorzystanie zwiększonych możliwości oferowanych przez niezwykłe protezy, które są obecnie opracowywane.

Uznanie zwiększonej potrzeby skutecznych interfejsów neuronowych dla protez kończyn można dostrzec w rosnącej liczbie wysiłków w tej dziedzinie w ciągu ostatniej dekady. Początkowe wysiłki mające na celu zapewnienie wysokiej rozdzielczości kontroli dystalnych protez koncentrowały się głównie na pośrednich i bezpośrednich 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 oraz, w przypadku urządzeń wszczepialnych, postępujące reakcje ciała obcego prowadzące do degradacji impulsu w czasie.

Ponieważ ograniczenia interfejsów mózgowych stały się bardziej oczywiste, skupiono się zamiast tego na obwodowych loci kontrolnych. Wysiłki w tym zakresie obejmowały bezpośrednie interfejsy nerwów obwodowych, w tym umieszczone między nimi sita i mankiety zaprojektowane 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.

Najbardziej obiecujące wysiłki dotyczące rozwoju interfejsów nerwów obwodowych dotyczą obecnie systemów biologicznych. Modele te składają się z konfiguracji, w których natywne tkanki są unerwione dystalnymi zakończeniami nerwowymi w celu stworzenia biologicznych siłowników do dystalnej kontroli protezy i sprzężenia zwrotnego. Dwa wiodące modele w tej dziedzinie to:

• Ukierunkowane ponowne unerwienie mięśni (TMR): Zapoczątkowana przez Dumaniana i Kuikena i wsp., TMR jest techniką, w której stosuje się serię transferów nerwów do ponownego unerwienia określonych mięśni docelowych w celu stworzenia dodatkowych miejsc kontroli protezy po amputacji kończyny dystalnej.
• Regeneracyjne interfejsy nerwów obwodowych (RPNI): Broniona przez Cedernę i in., 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.

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.

Protokół kliniczny proponuje ponowne wynalezienie sposobu wykonywania amputacji kończyn górnych, opierając się na kilku zasadach ustalonych w pracach już przeprowadzonych w dziedzinie TMR i RPNI. Jak wyjaśniono poniżej, podstawową innowacją jest wykorzystanie dystalnych tkanek kończyn, które normalnie byłyby poświęcane w trakcie standardowych amputacji kończyn dolnych, aby zapewnić podłoże dla natywnie unerwionych par mięśni agonisty/antagonisty, zdolnych nie tylko do intuicyjnej, wolicjonalnej aktywacji motorycznej, ale również proprioceptywne sprzężenie zwrotne. Pod względem koncepcyjnym pomysł ten polega na fizycznym połączeniu przeciwstawnych biologicznie mięśni (np. standardowych dróg proprioceptywnych. Badacze nazwali ten konstrukt agonistą-antagonistą interfejsem mioneuralnym (AMI).

Sposób, w jaki ta dynamiczna koncepcja mięśni agonisty/antagonisty może zostać zoperacjonalizowana klinicznie, zależy od tego, czy w czasie interwencji operacyjnej obecne są nienaruszone, unerwione i unaczynione mięśnie natywne. W ciągu ostatnich pięciu lat grupa badawcza opracowała modele eksperymentalne dla różnych scenariuszy klinicznych poprzez serię badań przedklinicznych zarówno w populacjach myszy, jak i kóz.

Jeśli zdrowy natywny mięsień jest dostępny jako podłoże do rekonstrukcji, koaptacja dystalnych końców usuniętych par agonista/antagonista może zostać włączona do projektu kikuta; w połączeniu z natywnym kanałem maziowym jako interfejsem ślizgowym, można stworzyć system podobny do koła pasowego, aby zapewnić dynamiczną konstrukcję mięśni. Konstruowanie AMI w modelu szczurzym wykazało zachowanie masy konstruktu mięśniowego, żywotność w czasie i wytwarzanie stopniowanych sygnałów aferentnych w odpowiedzi na rozciąganie rampy i utrzymywania w sposób podobny do natywnej architektury mięśni. Co więcej, wykonanie amputacji na poziomie piszczelowym z włączeniem konstrukcji AMI w modelu kozy wykazało wyraźny sprzężony ruch pary agonista-antagonista w obecności zarówno naturalnych poleceń nerwowych, jak i sztucznej stymulacji mięśni.

Opierając się na tych dowodowych badaniach na zwierzętach, badacze postawili hipotezę, że AMI oferuje potencjał zapewnienia biologicznego przekaźnika kontroli wolicjonalnej, który jest lepszy od innych strategii interfejsu neuronowego, z dodatkową korzyścią w postaci możliwości przywrócenia propriocepcji kończyn. W połączeniu z odpowiednio przystosowaną protezą nowej generacji, AMI może zatem zapewnić pierwszy mechanizm biologiczny do osiągnięcia prawdziwej interakcji neuronowej w pętli zamkniętej z mechaniczną kończyną.

Badacze proponują tutaj trzyletnią, prospektywną, kontrolowaną ocenę korzyści funkcjonalnych i somatosensorycznych zmodyfikowanego modelu amputacji w scenariuszu kończyny górnej. Badacze uważają, że ten model może zapewnić osobom po amputacji kończyny górnej biologiczny interfejs, który zapewnia nie tylko bezprecedensową kontrolę motoryczną protez w wysokiej rozdzielczości, ale także jest wysoce intuicyjny i zdolny do przywracania propriocepcji kończyn. Te zwiększone możliwości, jeśli się pojawią, mogą skutkować poprawą funkcjonalności i ogólnymi wynikami zdrowotnymi, w tym silniejszym powrotem do pracy i zmniejszonym obciążeniem psychicznym.