Somatotopisk konfiguration av distala kvarvarande extremitetsvävnader vid amputationer av nedre extremiteter

Historisk bakgrund

Amputation av nedre extremiteter är bland de äldsta kända kirurgiska ingreppen i medicinsk historia. Trots över två årtusenden har dock relativt lite förändrats i det operativa tillvägagångssättet. För närvarande indikeras amputation av nedre extremiteter oftast för kompromisser i nedre extremiteter på grund av allvarlig perifer kärlsjukdom, följt i kort ordning av trauma, tumörer, infektioner och medfödda extremitetsbrister. Uppskattningar av frekvensen av amputationer av nedre extremiteter varierar från 30 000-40 000 fall per år enbart i USA.

Normal funktion av den nedre extremiteten möjliggörs genom samspelet mellan flera muskelgrupper som samverkar. Ambulation är en anmärkningsvärt orkestrerad biomekanisk process som är beroende av en komplex återkopplingsslinga som involverar det centrala och perifera nervsystemet och muskuloskeletala systemet. I sitt ursprungliga tillstånd existerar musklerna i den nedre extremiteten i en balanserad agonist/antagonistmiljö där frivillig aktivering av en muskel leder inte bara till dess kontraktur, utan också passiv sträckning av dess motsats. Förändringar i muskelspänningen manifesterar sig genom dessa förändringar leder till stimulering av specialiserade receptorer i muskelfibrerna som överför ledpositionsinformation till hjärnbarken. Sådan feedback, i kombination med kutan sensorisk information från hudmekanoreceptorer, ger oss en känsla av lemproprioception som i slutändan möjliggör högtrohet lemkontroll, även i frånvaro av visuell feedback.

Den operativa standardmetoden för amputation av nedre extremiteter på antingen nivå under knä (BKA) eller ovanför knä (AKA) utplånar dock många av de dynamiska sambanden som är karakteristiska för den oskadade nedre extremiteten. Initial exponering åstadkoms genom antingen ett trappstegs- (BKA) eller fishmouth-mönstersnitt (AKA), följt av progressiv genomskärning av muskler, kärl, nerver och ben i snittnivån. Vävnader distalt till platsen för strukturell tvärsektion kasseras, oavsett om det kan finnas livsdugliga segment eller inte, och de proximala restmusklerna läggs över det distala tvärsnittade benet för att ge isolering till denna exponerade benyta. Den omgivande huden förs sedan fram över ben-/muskelinfrastrukturen för att uppnå definitiv tillslutning. Den rudimentära approximationen av vävnader i den distala extremiteten i dessa tillvägagångssätt resulterar i en oorganiserad ärrmassa i vilken normala dynamiska muskelförhållanden förstörs. Kopplingen av naturliga agonist/antagonistmuskelpar resulterar i isometrisk sammandragning av kvarvarande muskelgrupper vid frivillig aktivering, vilket producerar ofullständig, obalanserad neural återkoppling till hjärnan som resulterar i avvikande uppfattning om kvarvarande extremitetsposition. Sådan störd återkoppling resulterar inte bara i försämrad ambulatorisk funktion med proteser, utan visar sig också som patologisk sensorisk uppfattning av extremiteten i form av fantomlem och fantomsmärta symptomatologi.

Hittills har vårdgivare och patienter tolererat begränsningarna av dessa tillvägagångssätt på grund av det ganska förenklade målet med amputation av nedre extremiteter: att tillhandahålla en stabil, vadderad yta för protesmontering. Historiskt sett har proteser i nedre extremiteter gett amputerade möjlighet att återfå åtminstone ett visst mått av ambulatorisk funktion. Standardproteser för nedre extremiteter ger för närvarande bäraren promenaden på ett rudimentärt sätt, såväl som att springa ibland. Sådana anordningar har emellertid i allmänhet inte kunnat rekapitulera den komplexa biomekaniken i den mänskliga nedre extremiteten på grund av begränsade rörelseomfång och bristande återkopplingskontroll. Dessa begränsningar har resulterat i väsentligt förändrad kinematik hos amputerade underben som är associerade med störningar i energiförbrukningsprofiler som förvärras med lateralitet och stigande nivå.

En tidsålder börjar dock gry där kapaciteten hos moderna proteser vidgas anmärkningsvärt. Teknologiska framsteg inklusive alltmer miniatyriserad elektronik, trådlös kommunikation och ständigt förfinade positionssensorer har gjort det möjligt för protesutvecklare att skapa nästa generations bioniska lemmar med markant ökade frihetsgrader jämfört med tidigare modeller. Sådana proteser har visat sig markant förbättra energiförbrukningen för amputerade som använder dem på lämpligt sätt. Ännu mer avancerade proteser är för närvarande under utveckling som innehåller förmågan att ge aktiv inre kontroll över extremiteterna för att underlätta komplexa motoriska handlingar som dans och balansering på ett ben. Dessutom utvecklas för närvarande prototypproteser som har potential att erbjuda sensorisk feedback - både taktil och positionell - på ett sätt som aldrig tidigare bevittnats. Sådana proteser, även om de ännu inte är tillgängliga kommersiellt, används för närvarande i experimentella miljöer.

Dessa tekniska framsteg inom området för protesutveckling har dock inte matchats med kirurgiska framsteg när det gäller hantering av den kvarvarande extremiteten. Klassiska tekniker för amputation av nedre extremiteter ger inte innerverade gränssnitt som kan fungera som reläer för komplex proteskontroll; utan sådana biologiska manöverdon i den kvarvarande extremiteten för att tillhandahålla ledningar för informationsutbyte, är nästa generations proteser till liten användning. Uttryckt på ett annat sätt, nästa generations proteser innehåller för närvarande drivrutiner och sensorer som kan ge mycket mer förbättrad funktionalitet än någonsin tidigare sett, men standardmetoder för amputation av lemmar ger inte ett sätt att effektivt koppla dessa proteser till deras avsedda förmånstagare. Det krävs nu en utveckling av det sätt på vilket amputationer av nedre extremiteter utförs - en som kommer att tillhandahålla ett biologiskt gränssnitt som gör det möjligt för amputerade underben att dra fördel av de förbättrade möjligheter som erbjuds av de anmärkningsvärda proteser som för närvarande är under utveckling.

Tidigare prekliniska eller kliniska studier

Ett erkännande av det ökade behovet av effektiva neurala gränssnitt för proteser har bevisats av ett växande antal insatser på detta område under det senaste decenniet. Inledande ansträngningar för att tillhandahålla högupplöst kontroll av distala proteser fokuserades främst på direkta och indirekta hjärngränssnitt, antingen genom placering av elektroencefalografiska hårbottensensorer eller implanterbara parenkymalelektroder. Sådana ansträngningar har emellertid plågats av dålig upplösning, inkonsekvenser i signalinsamling och progressiva främmande kroppsreaktioner som leder till impulsnedbrytning över tid.

När begränsningarna för hjärnans gränssnitt har blivit mer uppenbara har fokus flyttats till direkta perifera nervgränssnitt inklusive mellanliggande siktar och manschetter utformade för att omvandla elektriska signaler direkt från individuella nervfasciklar till distala proteser. Sådana monitorer har dock visat lite kliniskt lovande på grund av progressiv nervkompression sekundärt till ärrbildning, såväl som betydande neurologisk överhörning och interferens i biologiska modeller.

Som sådan är de mest lovande ansträngningarna när det gäller utveckling av perifera nervgränssnitt nu inom området för biologiska system. De två ledande modellerna inom detta område är följande:

• Targeted Muscle Reinnervation (TMR): TMR är en teknik där en serie nervöverföringar används för att reinnervera specifika målmuskler för att skapa ytterligare protetiska kontrollställen efter amputation av en proximal extremitet. Dessa nervöverföringar erbjuder intuitiv kontroll av distala proteser eftersom de reinnerverade musklerna styrs av samma nerver som en gång innerverade den amputerade extremiteten. Signaler som skapas av de kvarvarande nerverna förstärks av mottagarmusklerna, som fångas upp av ytelektroder och omvandlas till den distala protesen. TMR-ingrepp har hittills utförts på mer än 40 patienter. Begränsningar för denna teknik inkluderar emellertid det ändliga antalet tillgängliga elektromyografiska signalplatser på grund av anatomiska begränsningar och problem med långsiktig signaltrohet.
• Regenerativa perifera nervgränssnitt (RPNI): RPNI erbjuder en alternativ version av ett innerverat biologiskt gränssnitt. En RPNI är en kirurgisk konstruktion som består av ett icke-vaskulariserat muskelsegment som är kopplat till en distal motorisk eller sensorisk nervända. Till skillnad från TMR rekryteras RPNI-muskeln inte från en annars normalt innerverad proximal muskel; istället är det konstruerat som ett fritt transplantat från ortotopiskt framställd donatorvävnad. Muskelsegmentet reinnerveras gradvis av den omdirigerade nervändan, som sedan främjar frivillig aktivering av muskelsegmentet när det triggas av det centrala nervsystemet. Som i TMR uppstår intuitiv kontroll eftersom de reinnerverade musklerna styrs av samma nerver som en gång innerverade den amputerade extremiteten. Till skillnad från TMR finns det dock inga begränsningar på anatomiska platser och det verkar inte finnas problem med långsiktig signaltrohet.

Även om både TMR och RPNI har visat sig lovande att erbjuda förbättrad funktionalitet till patienter som redan har genomgått amputation, har ingen av teknikerna införlivats i en grundläggande omdesign av det sätt på vilket amputationer utförs i första hand; i alla fall av klinisk implementering av TMR eller RPNI som hittills rapporterats i litteraturen, har dessa tekniker använts för att ytterligare optimera funktionaliteten hos patienter som redan har upplevt förlust av extremiteter.

Bakgrund och potentiella fördelar

Detta kliniska protokoll föreslår en iteration av RPNI-modellen, med avsikten att införliva dessa kirurgiska konstruktioner i designen av amputationer av nedre extremiteter vid tidpunkten för extremitetsoffer. Med tanke på framgången med denna teknik hittills tror forskarna att inkorporering av innerverade muskelsegment i resterande extremitetsdesign har potentialen att ge amputerade underben med ett biologiskt gränssnitt för oöverträffad protetisk motorkontroll som inte bara är högupplöst utan också mycket intuitiv och kan återställa lemproprioception. Dessutom förväntas det att tillåta amputerade att ha större kontroll över avancerade proteser kan erbjuda potentialen att normalisera gångkinematik och därigenom korrigera förändringar i energiförbrukning som tidigare rapporterats. Sådana åtgärder har ett löfte om att optimera den funktionella och övergripande hälsan hos amputerade i nedre extremiteter, och därigenom minska den sjuklighet som för närvarande är associerad med amputerad status.

Specifika mål

Hypotesen för detta forskningsprotokoll är att vi kommer att kunna omdesigna det sätt på vilket amputationer av nedre extremiteter utförs för att inkludera biologiska ställdon som kommer att möjliggöra framgångsrik användning av nästa generations nedre extremitetsproteser. De specifika målen för projektet är följande:

1. Att definiera ett standardiserat tillvägagångssätt för utförandet av ett nytt operativt ingrepp för amputationer under knä (BKA) och ovanför knä (AKA)
2. Att mäta graden av viljemotorisk aktivering och exkursion som kan uppnås i de kvarvarande extremitetskonstruktionerna, och att bestämma den optimala konfigurationen och designen av sådana konstruktioner
3. Att beskriva omfattningen av proprioceptiv och annan sensorisk feedback som kan uppnås genom användning av dessa modifierade kirurgiska tekniker
4. Att validera den funktionella och somatosensoriska överlägsenheten hos den föreslagna amputationstekniken över standardmetoder för BKA och AKA
5. Att utveckla en modifierad strategi för akut postoperativ rehabilitering anpassad till detta nya kirurgiska tillvägagångssätt