En ny metod för amputation av övre extremiteter för att öka frivillig kontroll och återställa proprioception

Amputation av övre extremiteter är bland de äldsta kända kirurgiska ingreppen i medicinsk historia, med många av dess tekniska principer som först har belysts av Hippokrates. Trots passerandet av mer än två årtusenden har relativt lite förändrats i det operativa tillvägagångssättet för att offra övre extremiteter. Uppskattningsvis 58 000 patienter i USA lider för närvarande av förlust av övre extremiteter på antingen ovan armbågsnivå (AEA) eller under armbågsnivå (BEA), och prevalensen av amputation av övre extremiteter förväntas stiga till cirka 95 000 patienter år 2050.

Normal funktion av den övre extremiteten möjliggörs genom det dynamiska samspelet mellan flera muskelgrupper som verkar i samverkan. Manuell skicklighet 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 övre extremiteten i en balanserad agonist/antagonist-situation där frivillig aktivering av en muskel leder inte bara till dess kontraktur, utan också till passiv sträckning av dess motsats. Förändringar i muskelspänning manifesteras genom denna interaktion mellan agonist- och antagonistenheter leder till stimulering av specialiserade receptorer i muskelfibrerna (t.ex. muskelspindelfibrer och Golgi-senorgan) som överför information om ledpositionen 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.

Tyvärr utplånar den vanliga operativa metoden för amputation av övre extremiteter på antingen AEA- eller BEA-nivå många av de dynamiska sambanden som är karakteristiska för den oskadade övre extremiteten. Initial kirurgisk exponering åstadkoms vanligtvis genom ett snitt i fiskmunsmönster, 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-/muskelkonstruktionen för att uppnå definitiv förslutning. Den rudimentära approximationen av diskordanta vävnader i den distala extremiteten i detta 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 leder inte bara till nedsatt lemfunktion med proteser, utan visar sig också som patologisk sensorisk uppfattning av extremiteten i form av fantomlem och fantomsmärtsymtom.

Hittills har begränsningarna av dessa tillvägagångssätt tolererats på grund av det ganska förenklade målet med amputation av övre extremiteter: att tillhandahålla en stabil, vadderad yta för montering av en protes. Historiskt sett har proteser i övre extremiteter gett amputerade möjlighet att återhämta sig åtminstone ett visst mått av funktion i övre extremiteterna. Sådana anordningar har emellertid i allmänhet inte kunnat rekapitulera den komplexa biomekaniken i den mänskliga övre extremiteten på grund av begränsade rörelseomfång och bristande återkopplingskontroll. Dessa begränsningar har resulterat i rapporterade avstötningsfrekvenser för övre extremiteter av proteser som sträcker sig från 23 % till 45 %, inklusive både kroppsdrivna och myoelektriska enheter.

Men kapaciteten hos moderna proteser expanderar nu anmärkningsvärt. Teknologiska framsteg inklusive allt mer miniatyriserad elektronik, trådlös kommunikation och ständigt förfinade positionssensorer har gjort det möjligt för protesutvecklare att skapa nästa generations bioniska lemmar med avsevärt ökade frihetsgrader jämfört med tidigare modeller. Ännu mer avancerade proteser utvecklas för närvarande som har potential att erbjuda sensorisk feedback - både taktil och positionell - på ett sätt som aldrig tidigare skådats. Sådana protesanordningar, även om de ännu inte är tillgängliga kommersiellt, studeras för närvarande i experimentella miljöer. Till exempel utfärdade Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) nyligen en begäran om förslag under programmet Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX) som innehåller en protes för övre extremiteterna inklusive sex frihetsgrader vid handleden, tummen och alla siffror, 10 trycksensorer som kan ge sensorisk återkoppling och ledvinkel- och hastighetssensorer som kan tillhandahålla ledpositionsdata.

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

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

När begränsningarna för hjärnans gränssnitt har blivit mer uppenbara har fokus istället flyttats till perifera kontrollloki. Ansträngningar i denna ven har inkluderat direkta perifera nervgränssnitt inklusive mellanliggande siktar och manschetter utformade för att transducera 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 på betydande neurologisk överhörning och interferens i biologiska modeller.

De mest lovande ansträngningarna när det gäller utveckling av perifera nervgränssnitt är nu inom området för biologiska system. Dessa modeller består av konfigurationer där inhemska vävnader innerveras med distala nervändar för att skapa biologiska ställdon för distal proteskontroll och återkoppling. De två ledande modellerna inom detta område är följande:

• Målinriktad muskelåterinnervation (TMR): Pionjärer av Dumanian och Kuiken et al. TMR är en teknik där en serie nervöverföringar används för att återinnervera specifika målmuskler för att skapa ytterligare proteskontrollställen efter distal lemamputation.
• Regenerativa perifera nervgränssnitt (RPNI): Championat av Cederna et al, erbjuder RPNI 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.

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 upplevt lemförlust.

Det kliniska protokollet föreslår en ny uppfinning av det sätt på vilket amputationer av övre extremiteter utförs, som bygger på flera av de principer som etablerats i det arbete som redan utförts inom området TMR och RPNI. Såsom beskrivs nedan är kärninnovationen användningen av distala extremitetsvävnader som vanligtvis skulle offras under loppet av vanliga amputationer av nedre extremiteter för att tillhandahålla substratet för naturligt innerverade parningar av agonist/antagonistmuskler som inte bara är kapabla till intuitiv, viljemässig motoraktivering utan även proprioceptiv feedback. Begreppsmässigt består denna idé av fysisk koppling av biologiskt motsatta muskler (t.ex. biceps och triceps) så att när neurologiskt utlöst sammandragning av en muskel åstadkommes, uppnås samtidigt sträckning av dess partner, vilket resulterar i observerbar rörelse av dyaden och stimulering. av vanliga proprioceptiva vägar. Utredarna har döpt denna konstruktion till agonist-antagonist myoneural interface (AMI).

Sättet på vilket detta dynamiska agonist/antagonistmuskelkoncept kan operationaliseras kliniskt beror på huruvida intakta, innerverade och vaskulariserade naturliga muskler är närvarande vid tidpunkten för operativ intervention. Under de senaste fem åren har forskargruppen utvecklat experimentella modeller för en mängd olika kliniska scenarier genom en serie prekliniska undersökningar i både murina och getpopulationer.

Om frisk naturlig muskel är tillgänglig som ett rekonstruktivt substrat, kan coaptation av de distala ändarna av desinserterade agonist/antagonistpar inkorporeras i utformningen av den kvarvarande extremiteten; när det är kopplat till en naturlig synovialkanal som ett glidgränssnitt, kan ett remskivaliknande system upprättas för att ge en dynamisk muskelkonstruktion. Konstruktion av AMI i en råttmodell har visat bevarande av konstruktionsmuskelbulk, livsduglighet över tid och produktion av graderade afferenta signaler som svar på ramp- och hållsträckningar på ett sätt som liknar inhemsk muskelarkitektur. Dessutom har utförandet av en amputation på transtibial nivå med inkorporering av AMI-konstruktion i en getmodell visat tydlig kopplad rörelse av agonist-antagonistparet i närvaro av både naturliga neurala kommandon och konstgjord muskelstimulering.

Baserat på dessa proof of concept djurstudier, antar utredarna att AMI erbjuder potentialen att tillhandahålla ett biologiskt relä för viljestyrning som är överlägsen andra neurala gränssnittsstrategier, med den ytterligare fördelen att kunna återställa lemproprioception. När den kombineras med en lämpligt anpassad nästa generations protes, kan AMI således tillhandahålla den första biologiska mekanismen för att uppnå verklig sluten neural interaktivitet med en mekanisk lem.

Utredarna föreslår här en treårig, prospektiv, kontrollerad bedömning av de funktionella och somatosensoriska fördelarna med den modifierade amputationsmodellen i ett scenario med övre extremiteter. Utredarna tror att denna modell har potential att ge amputerade övre extremiteter ett biologiskt gränssnitt som inte bara erbjuder oöverträffad, högupplöst motorisk kontroll av proteser, utan också är mycket intuitiv och kapabel att återställa lemproprioception. Om de är uppenbara kan dessa utökade funktioner resultera i förbättrad funktionalitet och övergripande hälsoresultat, inklusive mer robust återgång till arbete och minskad psykologisk påfrestning.