Nya framsteg inom djup hjärnstimuleringsteknik (DBS)

Datum: mars 2018
Förberedd av SIC-medlem: Aparna Wagle Shukla, läkare
författare: Alfonso Fasano, läkare, PhD; Chandan Reddy, läkare; Kelly Foote, läkare
redaktörer: Stella Papa, MD och Un Kang, MD

Djup hjärnstimulering (DBS) är en allmänt använd behandling för avancerad Parkinsons sjukdom (PD), essentiell tremor och dystoni, och dess kliniska tillämpningar för andra försvagande neurologiska sjukdomar utforskas kontinuerligt. Svåra fall av Tourettes syndrom, tvångssyndrom och epilepsi som är refraktära mot traditionella terapier behandlas nu med DBS. Förutom utvidgningen av kliniska tillämpningar av DBS under de senaste tre decennierna har det skett en enorm tillväxt inom DBS-teknik. Tillkomsten av konkurrens inom DBS-hårdvaruindustrin har lett till en ökning av innovativa tekniker. För närvarande har vi flera DBS-system med olika ledningar, förlängningselektroder och batterier som är godkända av europeiska och amerikanska tillsynsmyndigheter. Även om vissa förändringar i de nya systemen har visat förbättringar i kliniska resultat, har den verkliga effekten av de flesta modifieringar inte fastställts. Ändå är dessa nya utvecklingar inom DBS-teknik uppmuntrande för patientgemenskapen och för oss som vårdgivare. Vi kommer nu att bli tillfrågade av våra patienter och kollegor om vikten av att beakta vissa funktioner eller kostnaden och tillförlitligheten för specifika tekniker i varje enskilt fall. I den här bloggen inbjuder vi Drs. Foote, Reddy och Fasano som har expertis inom detta område för att diskutera nya DBS-tekniker och deras potentiella inverkan på att förbättra globala DBS-resultat.

Hur viktig är tekniken för att förbättra kliniska resultat av DBS?
 

Dr. Fasano

DBS är ett av de bästa exemplen på hur bioteknik har vidgat våra vyer inom behandling av neurologiska sjukdomar. Tekniska framsteg är nära kopplade till DBS-utvecklingens historia och dess framtid. Det finns en ständigt växande överlappning mellan DBS-teknik och klinisk praxis. Nya apparater kan tillgodose våra ouppfyllda kliniska behov och kan bana väg för nya mål och indikationer samt en bättre förståelse av CNS-fysiologi.

Dr Reddy 

Effekten och nyttan av DBS för att förbättra kliniska resultat för sjukdomar som Parkinsons sjukdom, essentiell tremor och dystoni är väl etablerad. De variabler som påverkar DBS, såsom frekvens, spänning och ström för stimulering, är dock otaliga, och dessa variablers inverkan på nervsystemet är inte väl förstådd. Den kontinuerliga kunskapsutvidgningen inom neurovetenskap förfinar vår förståelse av neuroanatomiska mål, den underliggande fysiologin och de sätt på vilka DBS kan modulera dessa kretsar. Avancerad DBS-teknik ger oss ett viktigt verktyg för att undersöka dessa mekanismer och optimera kliniska resultat.

Leaddesign inom DBS – Är detta en verklig ledande aktör inom området?

Dr. Fasano

Traditionellt levereras DBS-ström genom en 4-kontaktselektrod med cylindriska elektroder staplade ovanpå varandra. Nyare elektroddesigner inkluderar en 8-kontaktselektrod för att leverera ström över större områden och flera mål. Detta nya system med flera oberoende strömkällor erbjuder ökad flexibilitet i strömfördelningen och möjliggör leverans av konstant ström i kontrollerade proportioner. Mindre elektroder i den segmenterade elektroden möjliggör viss riktningsstyrning av terapeutisk ström som kan minska biverkningar och förbättra terapeutisk nytta. Även om elektroddesign är en verklig ledande aktör inom vårt område ur en teknisk synvinkel, behöver vi fortfarande fler studier som analyserar om de nya elektroderna är överlägsna de konventionella. Nya elektroder måste också anslutas till en implanterbar pulsgenerator (IPG) som kan stödja de nya elektrodfunktionerna. Dessutom är utmaningen att effektivt och snabbt programmera dessa enheter. Med andra ord har vi att göra med en revolution av DBS på flera nivåer, och att fokusera på en aspekt ger inte rättvisa åt de enorma möjligheter som vi kan erbjuda våra patienter.

Dr. Foote

Elektrodernas design är naturligtvis ett viktigt område för förbättring inom DBS-leverans, och några av de senaste innovationerna inom detta område har potential att förbättra DBS-resultaten för åtminstone en delmängd av DBS-patienter. Till skillnad från större cylindriska elektroder erbjuder segmenterade elektroder möjligheten att registrera lokala fältpotentialer (LFP) med högre spatial upplösning. Vissa nya system kan kontinuerligt känna av och registrera LFP och kan programmeras (i teorin) för att identifiera neurofysiologiska egenskaper hos patologiska tillstånd för optimal leverans av terapeutisk stimulering automatiskt. Denna teknik med adaptiv eller "sluten loop"-stimulering lovar flera fördelar: stimuleringsleverans som matchar patientens fluktuationer för optimal klinisk nytta, minskade biverkningar, förlängd batteritid och eliminering av manuell programmering. Det måste dock förstås att inget av dessa har uppnåtts för närvarande.

När vi går in i nästa generations hjärnkretsmodulering kommer DBS-elektroder och system som möjliggör mer exakt, precis och flexibel leverans av ström till terapeutiska mål i hjärnan att vara avgörande. Dessa tekniska framsteg kan också göra det möjligt för oss att förbättra vår förståelse av funktionell (och felaktigt fungerande) neurokretsar.

Kan riktade strömledare verkligen styra DBS-fältet?

Dr Reddy 

Beroende på stimuleringens konfiguration skapar 4-kontaktsringelektroden ett sfäriskt eller cylindriskt elektriskt fält längs elektrodens axel, vilket kan ha nackdelar under vissa omständigheter. Om till exempel elektroden i subthalamuskärnan placeras något lateralt i förhållande till det optimala läget är det troligt att en sfärisk volym av vävnadsaktivering kommer att resultera i spridning av ström in i den inre kapseln, vilket ger negativa effekter. Sfärisk stimulering tar inte heller hänsyn till de varierande formerna hos riktade hjärnstrukturer. Med segmenterade elektroder är det möjligt att kontrollera formen på det elektriska fältet och styra det bort från strukturer som ger oönskade biverkningar. Denna teknik har kallats "riktad strömstyrning". Ett mer lämpligt namn för detta koncept skulle kunna vara "riktad strömformning". Minst fyra studier som har undersökt fördelarna med riktad strömstyrning i subthalamuskärnan har funnit en utvidgning av de terapeutiskt användbara strömintervallen, mestadels relaterat till högre strömkrav för att inducera negativa effekter. Det verkliga resultatet av dessa nya riktade strategier återstår dock att se, i avvaktan på analys av långsiktiga uppföljningsdata. Även om möjligheten att placera fler kontakter eller formade (delvis omkrets) kontakter (för riktningselektroder) verkligen motiverar försiktig optimism, har den senaste utvecklingen inom ryggmärgsstimulering visat att fler kontakter inte nödvändigtvis är bättre.

Dr. Fasano

En riktad strömledning kan styra DBS-fältet även om jag ser fem problem: 1) Programmeringen blir längre, även om man kan hävda att programmerarens uppgift framöver kommer att bli enklare eftersom patienter kan behöva färre besök för att hantera biverkningar. 2) Patienternas förväntningar ökar eftersom reklam för konceptet strömstyrning och behandlingsanpassning kan ge det falska intrycket att vi kan åtgärda alla PD-relaterade problem. 3) Att styra det elektriska fältet kan bara göra skillnad när elektroden är något felplacerad: neurokirurger kommer fortfarande att behöva göra sitt bästa under målinriktningsprocessen. 4) Riktade ledningar kan fungera bäst när de drivs av oberoende källor för varje kontakt, eftersom impedansen kan skilja sig från kontakt till kontakt. 5) De för närvarande tillgängliga riktade ledningarna kan bara styra elektricitet på två av de fyra kontaktnivåerna eftersom två kontakter i de segmenterade elektrodringarna fortfarande har den klassiska ringdesignen som fördelar strömmen radiellt.

Med alla punkter beaktat, vilka är de framtida inriktningarna för att utveckla ett idealiskt DBS-system?

Dr. Fasano

Ett idealiskt DBS-system bör ha en elektrod med flera mindre kontakter som möjliggör riktad stimulering på vilken nivå som helst. IPG:n bör kunna registrera LFP:er från varje kontakt och automatiskt skicka ström mot de områden där patologiska signaler fångas upp enligt en adaptiv (eller sluten) metod. Den senare funktionen har tre huvudfördelar: 1) inget behov (i teorin) av att ha IPG:er med flera oberoende strömkällor; 2) automatiserad programmering; och 3) minskad batteriförbrukning. Slutligen kommer användningen av mindre enheter, eventuellt implanterade i skallen, att påskynda operationstiden eftersom det inte finns något behov av narkos.

Dr. Foote

Ett idealiskt DBS-system levererar elektrisk ström för att modulera felaktigt fungerande neurala kretsar med stor spatial och temporal precision, samt utmärkt noggrannhet. Hos varje patient med en given kretsstörning och en given uppsättning symtom kommer ett lämpligt neuroanatomiskt mål för stimulering att identifieras och exakt lokaliseras i patientens hjärna (indirekt målinriktning är föråldrad och är nu, enligt min mening, under standardbehandling för DBS-målinriktning). Jag tror att ett idealiskt DBS-system kommer att inkludera "smart" målinriktningsprogramvara som kan bearbeta högkvalitativ hjärnavbildning och automatiskt utföra en ickelinjär deformation av en normaliserad hjärnatlas för att producera en noggrant överensstämmande, patientspecifik, tredimensionell atlasöverlagring som inkluderar relevanta målinriktade strukturer. Den förutspådda optimala volymen av vävnadsaktivering för att producera maximal terapeutisk nytta för ett givet symptom, eller för att minimera risken för biverkningar (baserat på stora kohorter av utfallsdata korrelerade med stimuleringsställen) kommer automatiskt att identifieras i varje patients hjärna och avbildas som ett tredimensionellt mål. Förbättrade målinriktningssystem som använder intraoperativ avbildning och neurofysiologiska registreringsdata kommer att möjliggöra mer exakt implantation av en högdensitetselektroduppsättning i det önskade målet. Eftersom hjärnans kretsar är dynamiska och patientens tillstånd fluktuerar över tid, kan den optimala stimuleringen för en given patient variera. Ett idealiskt DBS-system kommer därför kontinuerligt att registrera den elektriska aktiviteten i ett patologiskt neuralt nätverk, övervaka fysiologiska egenskaper hos patologiska eller friska tillstånd och automatiskt justera stimuleringen (intensitet, mönster eller rumslig fördelning) för att kontinuerligt optimera den terapeutiska nyttan och minimera biverkningar. Detta kommer inte bara att resultera i mer konsekventa optimala DBS-resultat, utan det kommer också att eliminera behovet av repetitiva, långa DBS-programmeringssessioner och förlänga batteritiden för DBS-pulsgeneratorn.