Nylige fremskritt innen dyp hjernestimuleringsteknologi (DBS)

Dato: mars 2018
Utarbeidet av SIC-medlem: Aparna Wagle Shukla, MD
Forfattere: Alfonso Fasano, lege, PhD; Chandan Reddy, lege; Kelly Foote, lege
Redaktører: Stella Papa, MD og Un Kang, MD

Dyp hjernestimulering (DBS) er en mye brukt behandling for avansert Parkinsons sykdom (PD), essensiell tremor og dystoni, og dens kliniske anvendelser for andre svekkende nevrologiske lidelser utforskes kontinuerlig. Alvorlige tilfeller av Tourettes syndrom, obsessiv-kompulsiv lidelse og epilepsi som er resistente mot tradisjonelle terapier, behandles nå med DBS. I tillegg til utvidelsen av kliniske anvendelser av DBS de siste tre tiårene, har det vært en enorm vekst i DBS-teknologi. Fremveksten av konkurranse i DBS-maskinvareindustrien har ført til en bølge av innovative teknologier. For tiden har vi flere DBS-systemer med forskjellige ledninger, forlengelsesledninger og batterier som er godkjent av europeiske og amerikanske reguleringsorganer. Selv om noen endringer i de nye systemene har vist forbedring i kliniske resultater, er den virkelige effekten av de fleste modifikasjonene ikke fastslått. Likevel er denne nye utviklingen innen DBS-teknologi oppmuntrende for pasientmiljøet og for oss som helsepersonell. Vi vil nå bli spurt av våre pasienter og kolleger om viktigheten av å vurdere visse funksjoner eller kostnaden og påliteligheten til bestemte teknologier i hvert enkelt tilfelle. I denne bloggen inviterer vi legene. Foote, Reddy og Fasano som har ekspertise på dette feltet, for å diskutere nye DBS-teknologier og deres potensielle innvirkning på å forbedre globale DBS-resultater.

Hvor viktig er teknologien for forbedring av kliniske resultater av DBS?
 

Dr. Fasano

DBS er et av de beste eksemplene på hvordan bioteknologi har utvidet vår horisont innen behandling av nevrologiske sykdommer. Teknologiske fremskritt er tett knyttet til historien til DBS-utviklingen og dens fremtid. Det er en utviklende krysningstale mellom DBS-teknologi og klinisk praksis. Nye apparater kan dekke våre udekkede kliniske behov og kan bane vei for nye mål og indikasjoner, samt en bedre forståelse av CNS-fysiologi.

Dr. Reddy 

Effekten og nytten av DBS for å forbedre kliniske utfall for lidelser som Parkinsons sykdom, essensiell tremor og dystoni er veletablert. Imidlertid er variablene som påvirker DBS, som frekvens, spenning og strøm for stimulering, utallige, og virkningen av disse variablene på nervesystemet er ikke godt forstått. Den kontinuerlige utvidelsen av kunnskap innen nevrovitenskap forbedrer vår forståelse av nevroanatomiske mål, den underliggende fysiologien og måtene DBS kan modulere disse kretsene på. Fremskritt innen DBS-teknologi gir oss et viktig verktøy for å undersøke disse mekanismene og optimalisere klinisk utfall.

Leaddesign i DBS – Er dette et ekte banebrytende for feltet?

Dr. Fasano

Tradisjonelt leveres DBS-strøm gjennom en 4-kontakts ledning med sylindriske elektroder stablet oppå hverandre. Nyere ledningsdesign inkluderer en 8-kontakts elektrode for å levere strøm over større områder og flere mål. Dette nye systemet med flere uavhengige strømkilder gir økt fleksibilitet i strømfordeling og tillater levering av konstant strøm i kontrollerte proporsjoner. Mindre elektroder i den segmenterte ledningen muliggjør en viss retningsstyring av terapeutisk strøm som kan redusere bivirkninger og forbedre terapeutisk effekt. Selv om ledningsdesign er et virkelig banebrytende for vårt felt fra et teknologisk synspunkt, trenger vi fortsatt flere studier som analyserer om de nye ledningene er bedre enn de konvensjonelle. Nye ledninger må også kobles til en implanterbar pulsgenerator (IPG) som er i stand til å støtte de nye ledningsfunksjonene. I tillegg er utfordringen å programmere disse enhetene effektivt og raskt. Med andre ord har vi å gjøre med en revolusjon av DBS på flere nivåer, og å fokusere på ett aspekt gir ikke rettferdighet til de enorme mulighetene vi kan tilby pasientene våre.

Dr. Foote

Ledningsdesign er selvsagt et viktig område for forbedring innen DBS-levering, og noen av de nylige innovasjonene på dette området har potensial til å forbedre DBS-utfall for minst en delmengde av DBS-pasienter. I motsetning til større sylindriske elektroder tilbyr segmenterte ledninger muligheten til å registrere lokale feltpotensialer (LFP-er) med høyere romlig oppløsning. Noen nye systemer er i stand til kontinuerlig å registrere og registrere LFP-er, og kan programmeres (i teorien) til å identifisere nevrofysiologiske trekk ved patologiske tilstander for optimal levering av terapeutisk stimulering automatisk. Denne teknikken med adaptiv eller "lukket sløyfe"-stimulering lover flere fordeler: stimuleringslevering som matcher pasientens fluktuasjoner for optimal klinisk nytte, reduserte bivirkninger, forlenget batterilevetid og eliminering av manuell programmering. Det må imidlertid forstås at ingen av disse er oppnådd på dette tidspunktet.

Etter hvert som vi går inn i neste generasjon av hjernekretsmodulering, vil DBS-ledninger og systemer som muliggjør mer nøyaktig, presis og fleksibel levering av strøm til terapeutiske mål i hjernen være kritisk viktige. Disse teknologiske fremskrittene kan også gjøre det mulig for oss å forbedre vår forståelse av funksjonell (og feilfungerende) nevrokretser.

Er retningsstrømledninger i stand til å styre DBS-feltet virkelig?

Dr. Reddy 

Avhengig av stimuleringskonfigurasjonen skaper 4-kontakts ringelektroden et sfærisk eller sylindrisk elektrisk felt langs ledningsaksen, noe som kan ha ulemper under visse omstendigheter. Hvis for eksempel ledningen i kjernen subthalamus plasseres litt lateralt i forhold til den optimale posisjonen, er det sannsynlig at et sfærisk volum av vevsaktivering vil resultere i spredning av strøm inn i den indre kapselen, noe som gir bivirkninger. Sfærisk stimulering klarer heller ikke å ta hensyn til de variable formene til målrettede hjernestrukturer. Med segmenterte elektroder er det mulig å kontrollere formen på det elektriske feltet og styre det bort fra strukturer som gir uønskede bivirkninger. Denne teknikken har blitt kalt «retningsbestemt strømstyring». Et mer passende navn for dette konseptet kan være «retningsbestemt strømforming». Minst fire studier som har undersøkt fordelene med retningsbestemt strømstyring i kjernen subthalamus, har funnet en utvidelse av de terapeutisk brukbare strømområdene. Vinduet er hovedsakelig relatert til høyere strømkrav for å indusere bivirkninger. Imidlertid gjenstår det sanne resultatet av disse nye retningsbestemte strategiene å se, i påvente av analyse av langsiktige oppfølgingsdata. Selv om muligheten til å plassere flere kontakter eller formede (delvis omkrets) kontakter (for retningsbestemte ledninger) faktisk berettiger forsiktig optimisme, har den siste utviklingen innen ryggmargsstimulering vist at flere kontakter ikke nødvendigvis er bedre.

Dr. Fasano

En retningsbestemt strømledning er i stand til å styre DBS-feltet selv om jeg ser fem problemer: 1) Programmeringen blir lengre, selv om man kan argumentere for at programmererens oppgave fremover vil bli enklere ettersom pasienter kan trenge færre besøk for å håndtere bivirkninger. 2) Pasientenes forventninger øker ettersom reklame for konseptet med strømstyring og personalisering av behandling kan gi et feilaktig inntrykk av at vi kan fikse ethvert PD-relatert problem. 3) Styring av det elektriske feltet kan bare utgjøre en forskjell når elektroden er litt feilplassert: nevrokirurger må fortsatt gjøre sitt beste under målrettingsprosessen. 4) Retningsledninger kan fungere best når de drives av uavhengige kilder for hver kontakt, ettersom impedansen kan variere fra kontakt til kontakt. 5) De nåværende tilgjengelige retningsbestemte ledningene kan bare styre elektrisitet på to av de fire kontaktnivåene fordi i de segmenterte elektroderingene har to kontakter fortsatt den klassiske ringdesignen som fordeler strømmen radialt.

Når alt er tatt i betraktning, hva er de fremtidige retningene for å utvikle et ideelt DBS-system?

Dr. Fasano

Et ideelt DBS-system bør ha en elektrode med flere mindre kontakter som tillater retningsbestemt stimulering på ethvert nivå. IPG-en bør kunne registrere LFP-er fra hver kontakt og automatisk sende strøm mot områdene der patologiske signaler fanges opp i henhold til en adaptiv (eller lukket sløyfe) tilnærming. Sistnevnte funksjon vil ha tre hovedfordeler: 1) ikke behov (i teorien) for å ha IPG-er med flere uavhengige strømkilder; 2) automatisert programmering; og 3) redusert batteriforbruk. Til slutt vil bruk av mindre enheter, muligens implantert i hodeskallen, fremskynde operasjonstiden, da det ikke vil være behov for generell anestesi.

Dr. Foote

Et ideelt DBS-system vil levere elektrisk strøm for å modulere funksjonsfeil i nevrale kretser med stor romlig og tidsmessig presisjon, samt utmerket nøyaktighet. Hos hver pasient med en gitt kretsforstyrrelse og et gitt sett med symptomer, vil et passende nevroanatomisk mål for stimulering bli identifisert og presist lokalisert i pasientens hjerne (indirekte målretting er foreldet og er nå, etter min mening, under standardbehandling for DBS-målretting). Jeg tror at et ideelt DBS-system vil inkludere "smart" målrettingsprogramvare som kan behandle hjerneavbildning av høy kvalitet og automatisk utføre en ikke-lineær deformasjon av et normalisert hjerneatlas for å produsere et nøyaktig konformt, pasientspesifikt, tredimensjonalt atlasoverlegg som inkluderer relevante målrettede strukturer. Det forutsagte optimale volumet av vevsaktivering for å produsere maksimal terapeutisk fordel for et gitt symptom, eller for å minimere risikoen for bivirkninger (basert på store kohorter av utfallsdata korrelert med stimuleringssteder) vil automatisk bli identifisert i hver pasients hjerne og avbildet som et tredimensjonalt mål. Forbedrede målrettingsystemer som bruker intraoperativ avbildning og nevrofysiologiske registreringsdata vil muliggjøre mer nøyaktig implantasjon av en høytetthetselektrodematrise i det ønskede målet. Fordi hjernekretsene er dynamiske og pasientens tilstand svinger over tid, kan den optimale stimuleringen for en gitt pasient variere over tid. Et ideelt DBS-system vil derfor kontinuerlig registrere den elektriske aktiviteten i et patologisk nevralt nettverk, overvåke fysiologiske trekk ved patologiske eller friske tilstander, og automatisk justere stimuleringen (intensitet, mønster eller romlig fordeling) for kontinuerlig å optimalisere terapeutisk nytte og minimere bivirkninger. Dette vil ikke bare resultere i mer konsistente optimale DBS-resultater, men det vil også eliminere behovet for repeterende, lange DBS-programmeringsøkter og forlenge batterilevetiden til DBS-pulsgeneratoren.