Nedávné pokroky v technologii hluboké mozkové stimulace (DBS)

Datum: Březen 2018
Připravil člen SIC: Aparna Wagle Shukla, MD
Autoři: Alfonso Fasano, MD, PhD; Chandan Reddy, MD; Kelly Foote, MD
Editory: Stella Papa, MD a Un Kang, MD

Hluboká mozková stimulace (DBS) je široce používaná léčba pokročilé Parkinsonovy choroby (PD), esenciálního tremoru a dystonie a její klinické aplikace pro další oslabující neurologické poruchy jsou neustále zkoumány. Těžké případy Tourettova syndromu, obsedantně-kompulzivní poruchy a epilepsie, které jsou refrakterní na tradiční terapie, se nyní léčí pomocí DBS. Kromě rozšíření klinických aplikací DBS v posledních třech desetiletích došlo k obrovskému nárůstu technologie DBS. Nástup konkurence v hardwarovém průmyslu DBS vedl k nárůstu inovativních technologií. V současné době máme několik systémů DBS s různými elektrodami, prodlužovacími kabely a bateriemi, které jsou schváleny evropskými a americkými regulačními agenturami. Ačkoli některé změny v nových systémech prokázaly zlepšení klinických výsledků, skutečný dopad většiny úprav nebyl stanoven. Nicméně tento nový vývoj v technologii DBS je povzbudivý pro komunitu pacientů i pro nás jako poskytovatele zdravotní péče. Naši pacienti a kolegové se nás nyní budou ptát na důležitost zvážení určitých funkcí nebo nákladů a spolehlivosti konkrétních technologií v každém konkrétním případě. V tomto blogu zveme Dr. Foote, Reddy a Fasano, kteří mají v této oblasti odborné znalosti, aby diskutovali o nových technologiích DBS a jejich potenciálním dopadu na zlepšení globálních výsledků DBS.

Jak důležitá je technologie pro zlepšení klinických výsledků DBS?
 

Dr. Fasano

DBS je jedním z nejlepších příkladů toho, jak biotechnologie rozšířila naše obzory v léčbě neurologických onemocnění. Technologický pokrok je úzce spjat s historií vývoje DBS a jeho budoucností. Mezi technologií DBS a klinickou praxí se neustále vyvíjí vzájemná interakce. Nová zařízení mohou řešit naše nenaplněné klinické potřeby a mohou vést k novým cílům a indikacím, stejně jako k lepšímu pochopení fyziologie CNS.

Dr. Reddy 

Účinnost a užitečnost DBS pro zlepšení klinických výsledků u poruch, jako je Parkinsonova choroba, esenciální tremor a dystonie, je dobře známá. Proměnné, které ovlivňují DBS, jako je frekvence, napětí a proud stimulace, jsou však nespočetné a dopad těchto proměnných na nervový systém není dobře pochopen. Neustálé rozšiřování znalostí v neurovědě zdokonaluje naše chápání neuroanatomických cílů, základní fyziologie a způsobů, jakými může DBS tyto okruhy modulovat. Pokrok v technologii DBS nám poskytuje základní nástroj pro zkoumání těchto mechanismů a optimalizaci klinických výsledků.

Návrh olova v DBS – Je to skutečná špička v oboru?

Dr. Fasano

Proud DBS se tradičně dodává přes 4kontaktní elektrodu s válcovými elektrodami naskládanými nad sebou. Novější konstrukce elektrod zahrnují 8kontaktní elektrodu pro dodávání proudu do větších oblastí a více cílů. Tento nový systém s více nezávislými zdroji proudu nabízí zvýšenou flexibilitu v distribuci proudu a umožňuje dodávání konstantního proudu v kontrolovaných poměrech. Menší elektrody v segmentované elektrodě umožňují určité směrové řízení terapeutického proudu, které by mohlo zmírnit nežádoucí účinky a zvýšit terapeutický přínos. Přestože je konstrukce elektrody z technologického hlediska skutečnou špičkou v našem oboru, stále potřebujeme další studie, které by analyzovaly, zda jsou nové elektrody lepší než konvenční. Nové elektrody bude také nutné připojit k implantabilnímu generátoru pulzů (IPG), který bude schopen podporovat nové funkce elektrody. Kromě toho je výzvou efektivně a rychle programovat tato zařízení. Jinými slovy, jednáme o revoluci DBS na více úrovních, zaměření se na jeden aspekt nedává spravedlnost obrovským možnostem, které můžeme našim pacientům nabídnout.

Dr. Foote

Návrh elektrod je samozřejmě důležitou oblastí pro zlepšení podávání DBS a některé z nedávných inovací v této oblasti mají potenciál zlepšit výsledky DBS alespoň u podskupiny pacientů s DBS. Na rozdíl od větších válcových elektrod nabízejí segmentované elektrody možnost zaznamenávání lokálních polních potenciálů (LFP) s vyšším prostorovým rozlišením. Některé nové systémy jsou schopny kontinuálně snímat a zaznamenávat LFP a lze je (teoreticky) naprogramovat tak, aby identifikovaly neurofyziologické znaky patologických stavů pro optimální automatické podávání terapeutické stimulace. Tato technika adaptivní nebo „uzavřené smyčky“ stimulace slibuje několik výhod: podávání stimulace odpovídající fluktuacím pacienta pro optimální klinický přínos, snížené nežádoucí účinky, prodlouženou životnost baterie a eliminaci ručního programování. Je však třeba si uvědomit, že žádného z těchto cílů se v současné době nepodařilo dosáhnout.

S přechodem k nové generaci modulace mozkových obvodů budou kriticky důležité elektrody a systémy DBS, které umožňují přesnější, preciznější a flexibilnější dodávání proudu k terapeutickým cílům v mozku. Tyto technologické pokroky nám mohou také umožnit lépe porozumět funkčním (a poruchám) neuroobvodů.

Jsou směrové proudové vodiče schopny skutečně řídit pole DBS?

Dr. Reddy 

V závislosti na konfiguraci stimulace vytváří čtyřkontaktní prstencová elektroda sférické nebo válcové elektrické pole podél osy elektrody, což může mít za určitých okolností nevýhody. Pokud je například elektroda v subtalamickém jádru umístěna mírně laterálně od optimální polohy, je pravděpodobné, že sférický objem aktivované tkáně povede k šíření proudu do vnitřní kapsle, což způsobí nežádoucí účinky. Sférická stimulace také nezohledňuje variabilní tvary cílových mozkových struktur. Se segmentovanými elektrodami je možné řídit tvar elektrického pole a odvádět ho od struktur, které produkují nežádoucí vedlejší účinky. Tato technika byla nazvána „směrové řízení proudu“. Vhodnější název pro tento koncept by mohl být „tvarování směrového proudu“. Nejméně čtyři studie, které zkoumaly výhody směrového řízení proudu v subtalamickém jádru, zjistily rozšíření terapeuticky použitelných rozsahů proudu. Toto okno se většinou vztahuje k vyšším požadavkům na proud k vyvolání nežádoucích účinků. Skutečný výsledek těchto nových směrových strategií však teprve uvidíme, v závislosti na analýze dat z dlouhodobého sledování. I když schopnost umístit více kontaktů nebo tvarovaných (částečně obvodových) kontaktů (u směrových elektrod) skutečně zasluhuje opatrný optimismus, nedávný vývoj v oblasti stimulace míchy ukázal, že více kontaktů nemusí být nutně lepší.

Dr. Fasano

Směrový proudový svod je schopen řídit pole DBS, i když vidím pět problémů: 1) Programování se prodlužuje, i když lze namítnout, že posun vpřed v úkolu programátora se usnadní, protože pacienti budou potřebovat méně návštěv k řešení vedlejších účinků. 2) Očekávání pacientů rostou, protože reklama na koncept řízení proudu a personalizace léčby může vyvolat falešný dojem, že dokážeme vyřešit jakýkoli problém související s Parkinsonovou chorobou. 3) Řízení elektrického pole může mít vliv pouze tehdy, když je elektroda mírně špatně umístěna: neurochirurgové budou i tak muset během procesu cílení vynaložit veškeré úsilí. 4) Směrové svody fungují nejlépe, když jsou napájeny nezávislými zdroji pro každý kontakt, protože impedance se může lišit kontakt od kontaktu. 5) V současné době dostupné směrové svody dokáží řídit elektřinu pouze na dvou ze čtyř úrovní kontaktů, protože v segmentovaných elektrodových kroužcích dva kontakty stále disponují klasickým prstencovým designem, který rozvádí proud radiálně.

Po zvážení všech bodů, jaké jsou budoucí směry pro vývoj ideálního systému DBS?

Dr. Fasano

Ideální systém DBS by měl obsahovat elektrodu s několika menšími kontakty, které by umožňovaly směrovou stimulaci na jakékoli úrovni. IPG by měl být schopen zaznamenávat LFP z každého kontaktu a automaticky vysílat energii do oblastí, kde jsou zachyceny patologické signály, podle adaptivního (nebo uzavřeného) přístupu. Druhá funkce bude mít tři hlavní výhody: 1) teoreticky není nutné mít IPG s několika nezávislými zdroji energie; 2) automatizované programování; a 3) snížená spotřeba baterie. A konečně, použití menších zařízení, případně implantovaných do lebky, urychlí dobu operace, protože nebude nutná celková anestezie.

Dr. Foote

Ideální systém DBS bude dodávat elektrický proud k modulaci nefunkčních nervových obvodů s velkou prostorovou a časovou přesností a také s vynikající přesností. U každého pacienta s danou poruchou nervových obvodů a daným souborem symptomů bude identifikován a přesně lokalizován vhodný neuroanatomický cíl pro stimulaci v jeho mozku (nepřímé cílení je zastaralé a podle mého názoru nyní nedosahuje standardu péče o cílení DBS). Věřím, že ideální systém DBS bude zahrnovat „chytrý“ cílící software, který dokáže zpracovávat vysoce kvalitní zobrazování mozku a automaticky provádět nelineární deformaci normalizovaného mozkového atlasu za účelem vytvoření přesně odpovídajícího, pacientovi specifického, trojrozměrného překrytí atlasu, které zahrnuje relevantní cílené struktury. Předpovězený optimální objem aktivace tkáně pro dosažení maximálního terapeutického přínosu pro daný symptom nebo pro minimalizaci rizika nežádoucích účinků (na základě velkých kohort výsledků korelovaných s místy stimulace) bude automaticky identifikován v mozku každého pacienta a zobrazen jako trojrozměrný cíl. Vylepšené cílící systémy využívající intraoperační zobrazovací a neurofyziologická záznamová data umožní přesnější implantaci pole elektrod s vysokou hustotou do požadovaného cíle. Protože mozkové obvody jsou dynamické a stav pacienta v čase kolísá, může se optimální stimulace pro daného pacienta v průběhu času měnit. Ideální systém DBS proto bude nepřetržitě zaznamenávat elektrickou aktivitu v patologické neuronové síti, monitorovat fyziologické znaky patologických nebo zdravých stavů a ​​automaticky upravovat stimulaci (intenzitu, vzorec nebo prostorové rozložení) tak, aby průběžně optimalizoval terapeutický přínos a minimalizoval nežádoucí účinky. To nejen povede ke konzistentnějším optimálním výsledkům DBS, ale také odstraní potřebu opakovaných, zdlouhavých programovacích sezení DBS a prodlouží životnost baterie generátoru pulzů DBS.