Querschnittsgelähmte laufen selbstständig mit Elektrostimulation

Drei querschnittsgelähmte Patienten können mit einer individuell angepassten Rückenmarksstimulation wieder selbstständig laufen – einen Kilometer auf einem Laufband und mit Hilfsmitteln in alltäglichen Situationen. Selbst ohne aktive Stimulation blieb den Autoren zufolge ein Trainingseffekt: Die Patienten konnten ihre Beine selbst ohne elektrische Impulse scheinbar willentlich an Krücken bewegen. Sie hatten vor mehr als vier Jahren eine Rückenmarksverletzung erlitten, die ihre Gehfähigkeit extrem einschränkte oder sogar gänzlich lähmte. 

Schon vor knapp sechs Wochen sorgte ein Fallbericht über einen Querschnittsgelähmten für Aufsehen, der nach intensivem Training während einer Rückenmarksstimulation ein paar Schritte gehen konnte (SMC, Research in Context vom 24.09.2018 [a]). Die aktuelle Arbeit aus Lausanne beschreibt drei Patienten, die nach einem intensiven Training mit einer optimierten Stimulation auch ohne diese Stimulation willentlich ihre Beine bewegen können. Die Schweizer Wissenschaftler haben die sogenannte epidurale Elektrostimulation des Rückenmarks so an die Patienten angepasst, dass die elektrischen Impulse räumlich und zeitlich mit den beabsichtigten Bewegungen übereinstimmten. Eben diese Methode könnte in ihren Augen der Grund für die neurologische Erholung der Patienten sein. Außerdem haben die Wissenschaftler eine mobile Version der Rückenmarkstimulation via Tablet und Sprachsteuerung entwickelt, die es den Patienten auch außerhalb des Labors ermöglichte, spazieren zu gehen oder auf einem Liegerad zu fahren.

Die Forscher haben ihre Ergebnisse in mehreren Beiträgen in Journalen des Nature-Verlags veröffentlicht. Dieses Research in Context konzentriert sich vor allem auf die Veröffentlichung in „Nature“ (siehe Primärquelle). Zum gleichen Zeitpunkt wurden noch ein weiterer Beitrag und ein wissenschaftlicher Kommentar in „Nature Neuroscience“ veröffentlicht (siehe weitere Recherchequellen).

 

• PD Dr. Rainer Abel, Chefarzt der Klinik für Orthopädie und Querschnittsgelähmte, Klinikum Bayreuth

 

• Prof. Dr. Norbert Weidner, Ärztlicher Direktor der Klinik für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg

 

• Prof. Dr. Winfried Mayr, Professor am Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik, Medizinische Universität Wien

 

Statements

PD Dr. Rainer Abel

Chefarzt der Klinik für Orthopädie und Querschnittsgelähmte, Klinikum Bayreuth

„Vorneweg: Die Arbeit ist sehr spannend. Sie belegt, dass es gelingen kann, intakte neuronale Netzwerke unterhalb der Verletzung im Rückenmark wieder anzusprechen und dem Körper für Willkürbewegungen verfügbar zu machen. Dies ist nach den vorliegenden Ergebnissen während einer Trainingsphase unter epiduraler elektrischer Stimulation, danach auch ohne diese Stimulation möglich. Hierin liegt auch der wichtigste Unterschied zu den bisher bekannten Forschungsergebnissen (zum Beispiel [1]). Dort konnten die Verbesserungen der Motorik nur unter Stimulation nachgewiesen werden.“

„Diese Ergebnisse sind nicht nur wichtig, da viele Patienten noch Rückenmark-Restfunktionen haben, die bis jetzt kaum durch die üblichen Rehabilitationsverfahren soweit ausgenutzt werden können, dass der Patient wieder stehen und laufen kann. Die Arbeit ist auch deshalb wichtig, da die Ergebnisse zum Erfolg neuroregenerativer Therapien entscheidend beitragen könnten. Wir wissen, dass auch bei aussichtsreichen Ansätzen, zum Beispiel der Gabe von Anti-Nogo A (Antikörper, der das nach einer Querschnittlähmung blockierte Wachstum von Nervenfasern enthemmen soll; Anm. d. Red.) immer nur eine inkomplette Erholung eintritt. Beide Behandlungsstrategien könnten sich gegenseitig ergänzen.“

„Bislang hat man mithilfe von Elektrostimulation – zum Beispiel durch die Reizung einzelner Wurzeln – versucht, einzelne Bewegungen durch Reizung der zum Muskel führenden Nerven auszulösen. In den vorgestellten Arbeiten wird dagegen durch gezielte (targeted) Stimulation im Bereich der Hinterwurzeln (Teil der Nerven aus Haut, Bewegungsapparat und Eingeweiden, der ins Rückenmark eintritt; Anm. d. Red.) in dem entsprechenden Abschnitt eine ‚verbesserte Empfänglichkeit‘ für die noch verbliebenen neuronalen Aktivitäten hergestellt. Eine Muskelkontraktion wird dabei ersteinmal nicht ausgelöst. Dadurch genügt es, eine, sonst weitgehend bedeutungslose Restfunktion zu aktivieren, um Gehen und Stehen zu ermöglichen. Nach einigem Training ist dies sogar ohne elektrische Stimulation möglich. Bewegungen erfolgen also nicht ‚unwillkürlich‘ beim der Stimulation, sondern nur wenn der Patient gleichzeitig eine Bewegung machen will.“

„Die Forschungsergebnisse sind so interessant, dass sie an einer größeren Anzahl von Patienten erprobt werden sollten. Alltagstauglich ist die Methodik noch nicht; das kann sie aber mit vertretbarem Risiko werden, wenn sie sich bewährt.“

„Prinzipiell sollten alle Patienten mit einer zentralen Lähmung von dieser Methode profitieren, das heißt Patienten mit Schädigung des ersten Motoneurons in aller Regel oberhalb des Conus medullaris (Ende des Rückenmarks auf Höhe der Lendenwirbel; Anm. d. Red.). Patienten mit Schädigung der Cauda equina (Ansammlung von Nervenwurzeln unterhalb des Endes des Rückenmarks, Anm. d. Red.) werden vermutlich wenig profitieren, da hier keine Reizleitung zum Muskel mehr möglich ist.“

„Der Funktionsgewinn, der sich letztendlich auch ohne Stimulation einstellt, ist am ehesten mit einer Reaktivierung von Funktionszentren zu erklären, die mit den üblichen Rehabilitationsverfahren nicht erreicht werden. Inwieweit die Behandlung zu dauerhaften Funktionsgewinnen führt, bleibt abzuwarten. Es gibt jedoch keinen zwingenden Grund, warum die Funktionen wieder verloren gehen sollten. Vermutlich bedarf es einer gewissen ‚Erhaltungstherapie‘.“

„Wichtig wäre es sicherlich auch die Möglichkeiten dieser Behandlung für die Therapie von Spastik zu erproben.“

„Die Behandlung macht Querschnittlähmung nicht heilbar. Die Strukturverluste bestehen fort – aber sie ist vielleicht geeignet, die Folgen erheblich zu lindern und den Patienten wichtige Teilfunktionen zurückzugeben.“

Prof. Dr. Norbert Weidner

Ärztlicher Direktor der Klinik für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg

„Ich betrachte die Studie aus Sicht des klinisch tätigen Spezialisten für Querschnittgelähmte. Vergleichbar zu den kürzlich veröffentlichten Studien von Gill [1] und Angeli [2], erholen sich Patienten mit chronischer Querschnittlähmung neurologisch, das heißt, die motorische Erholung – also die willkürliche Ansteuerung der Muskulatur der unteren Extremitäten – wird durch die Kombination aus Elektrostimulation und intensiven funktionsorientierten rehabilitativen Maßnahmen gefördert. Bei einem Patienten, der zu Beginn der kombinierten Therapie motorisch inkomplett gelähmt ist, zeigt sich eine sehr viel ausgeprägtere motorische Erholung und in der Folge eine Verbesserung der Gehfunktion als bei einem Patienten, bei dem zu Beginn der Therapie keine motorische Willkürfunktion in den unteren Extremitäten abgerufen werden konnte. Die umfassenden Studien beziehungsweise Vorarbeiten der Arbeitsgruppe legen nahe, dass durch die zeitlich und räumlich koordinierte Elektrostimulation – im Gegensatz zur zeitlich nicht und räumlich eingeschränkt koordinierten Stimulation – der sensiblen Hinterwurzeln in den zuvor genannten Studien ein qualitativ hochwertigerer Bewegungsablauf während des Gehens erzeugt werden kann. Inwieweit sich diese Ergebnisse tatsächlich in einer verbesserten, alltagsrelevanten Gehfunktion an einem größeren Patientenkollektiv niederschlagen, müssen zukünftigen Studien herausfinden.“

„Im Vergleich zu den Studien von Gill [1] und Angeli [2], in denen ein elektrischer Dauerreiz auf die sensiblen Hinterwurzeln gegeben wird, werden in der Studie von Wagner gezielt bestimmte Hinterwurzeln in einem begrenzten Zeitfenster korrespondierend zu definierten Abschnitten des Gangzyklus stimuliert.“

„Wie in der sehr detailliert dargestellten Studie von Wagner et al zu erkennen ist, profitieren vor allem inkomplett Querschnittgelähmte. Bei diesen Patienten ist zumindest noch ein erheblicher Anteil von Nervenbahnen erhalten geblieben, die das Gehirn mit den Muskeln verknüpfen und umgekehrt sensible Rückmeldungen von den Beinen an das Gehirn weiterleiten. Bei komplett Querschnittgelähmten – mit nur noch sehr wenig erhaltenen Nervenbahnen über die Verletzung des Rückenmarks hinweg – ist nicht davon auszugehen, dass selbst durch ‚targeted stimulation‘ eine alltagsrelevante Gehfunktion wiederhergestellt werden kann.“

„Sehr wahrscheinlich dient die gezielte Elektrostimulation des Rückenmarks vor allem dazu, dass inaktive Rückenmark unterhalb einer Verletzung wieder aufzuwecken. Wenn der Betroffene dann tatsächlich in der Lage ist, die wiedergewonnenen Funktionen häufig zu nutzen – sprich häufig zu gehen – , dann reicht wahrscheinlich der natürliche sensible Input während des Gehens, das Rückenmark in einem aktiven Zustand zu erhalten, was wiederum keiner weiteren Elektrostimulation bedarf. Welches Ausmaß an Gehfunktion tatsächlich wieder gewonnen werden kann und wie die wiedergewonnene Gehfunktion auf längere Sicht erhalten werden kann, müssen zukünftige Studien zeigen.“

Prof. Dr. Winfried Mayr

Professor am Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik, Medizinische Universität Wien

„Grundsätzlich ist es sehr wichtig herauszustreichen, dass sowohl die kürzlich veröffentlichte Arbeit von Gill et al. [1] als auch die aktuelle der Courtine-Gruppe sehr interessante Beiträge zur Forschung an der Bewegungsrehabilitation nach Querschnittlähmung leisten, die Ergebnisse aber noch weit von einer Übertragbarkeit in die klinische Routine entfernt sind. Man darf gegenüber den Betroffenen nicht die unberechtigte Hoffnung wecken, es gäbe eine für alle anwendbare Lösung, die sie wieder auf die Beine bringt.“

„Die beiden Studien sind methodisch sehr ähnlich und bei genauerem Hinsehen auch in den Ergebnissen durchaus vergleichbar, auch wenn in der aktuellen Veröffentlichung von Wagner et al. ein direkter Vergleich präsentiert wird, der Vorteile der eigenen Methode belegen soll. Jede der Stimulationsmethoden müsste aber individuell optimal auf das Lähmungsprofil des Patienten eingestellt sein, um wirklich aussagekräftig vergleichen zu können.“

„Beide Studien verwenden, soweit ersichtlich, dieselben Elektrodenarrays und Stimuli, um möglichst selektiv Nervenfasern in den ins Rückenmark mündenden Enden der peripheren Nerven – Hinterwurzeln oder Posturalwurzeln genannt – zu aktivieren. Der Unterschied liegt darin, dass die amerikanische Gruppe mit kontinuierlichen Folgen von Stimuli einer bestimmten Intensität und Frequenz arbeitet, während die Gruppe in Lausanne solche Pulsfolgen über begrenzte Zeitintervalle einsetzt und mit Bewegungsabläufen zeitlich synchronisiert. Beides kann zu ähnlich vorteilhaften Ergebnissen führen und die Anwendung beider Muster, auch in Kombination, wird für weitere Bemühungen Sinn machen.“

„Neu an dieser Methode ist der Versuch, nicht nur örtlich möglichst selektiv afferente Nervenfasern – Fasern, die sensorische Informationen ins zentrale Nervensystem leiten – vor deren Eintritt in das Rückenmark zu stimulieren, sondern diese Stimulation auch mit Bewegungsabläufen zu synchronisieren und die Signalverarbeitung in den Interneuronennetzwerken im Rückenmark zeitlich koordiniert zu unterstützen. Diese gezielt räumlich und zeitlich optimierte Stimulationsmethode bezeichnen die Autoren als ‚targeted stimulation‘. Die ‚Targets‘ sind afferente Nervenfasern, die über Interneuronennetzwerke gezielt Beuge- oder Streckfunktionen unterstützen können, falls für deren Kontrolle noch ein Resteinfluss aus oberhalb der Verletzungsstelle liegenden Zentren im Rückenmark oder Gehirn verblieben ist, der aber für sich alleine für eine wirksame Steuerung nicht ausreicht. Solche Effekte sind aus früheren Arbeiten verschiedener Gruppen bekannt, Lähmungsformen dieser Ausprägung werden als ‚diskomplett‘ bezeichnet und liegen zwischen ‚inkompletter‘ Lähmung mit willkürlich beeinflussbaren Restfunktionen und ‚kompletter‘, wenn keinerlei Bewegungsfunktionen mehr über nervale Steuerung aktiviert werden können.“

„Die vorgestellte Studie ist ein interessanter Beitrag zur internationalen Forschung, aber von einer alltagstauglichen Therapie noch sehr weit entfernt. Ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung ist die Erkenntnis, dass es nie eine Universallösung für alle Menschen mit Querschnittslähmung geben wird, sondern nur personalisierte Ansätze zu Verbesserungen führen werden. Jede Querschnittsverletzung führt zu sehr individuellen Veränderungen in der Bewegungskontrolle. Bestmögliche Therapien können nur über detaillierte Analyse der neuen physiologischen Rahmenbedingungen und deren sich spontan oder therapiegestützt über die Zeit entwickelnden Veränderungen geplant und geführt werden. Dies ist in der vorgestellten Studie berücksichtigt, ist aber auch generell ein immer stärkerer werdender Trend in der Forschung zur Bewegungsrehabilitation.“

„Therapeutische Entwicklungen, die letztlich zu einer bleibenden Regeneration von Bewegungsfunktionen führen können, wurden auch in der Vergangenheit immer wieder beobachtet. Dabei kanndie Regeneration grundsätzlich sowohl über körpereigene Mechanismen alleine als auch aufgrund oder gefördert durch verschiedenste therapeutische Maßnahmen erfolgen. Ob dies individuell möglich ist, hängt von der Ausprägung der Verletzung und den geänderten physiologischen Rahmenbedingungen ab. Bei Weitem nicht alle Patienten können, auch mit größtem technischen und therapeutischen Aufwand, mit einem Wiedererlangen der beschriebenen Bewegungsfunktionen rechnen.“

„Die vollständige ‚Heilung‘ einer Querschnittslähmung wird noch lange einigen wenigen Fällen von regenerierbaren Unfallfolgen vorbehalten bleiben. Schrittweise Verbesserungen in den therapeutischen Möglichkeiten wird es weiterhin laufend geben und es wäre auch wert, diese – mehr als derzeit üblich – in der klinischen Anwendung verfügbar zu machen. Dies betrifft vor allem auch den Bereich der Spastik, die interessanterweise in der gegenständlichen Veröffentlichung gänzlich unerwähnt bleibt, aber eine bedeutende Rolle sowohl in der Lebensqualität nach Querschnittslähmung wie auch allen Bemühungen zur Bewegungsrehabilitation spielt.“

„Die Zukunft der Bewegungsrehabilitation wird in personalisierten multimodalen Ansätzen liegen, die verfügbare technische, biologische und pharmakologische Werkzeuge bestmöglich einsetzen.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Norbert Weidner: „Ich möchte vorwegschicken, dass ich in gewissem Umfang befangen bin, da unsere Klinik an der Planung einer Follow-up Studie (mit Courtine und Bloch) bei Menschen mit Querschnittlähmung beteiligt ist. Ich versuche Ihre Fragen ohne Verzerrungen zu beantworten.“

Alle: Keine angegeben.

Primärquelle

Wagner FB et al. (2018): Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury. Nature. DOI : 10.1038/s41586-018-0649-2.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Gill ML et al. (2018): Neuromodulation of lumbosacral spinal networks enables independent stepping after complete paraplegia. Nature Medicine. DOI: /10.1038/s41591-018-0175-7.

[2] Angeli CA et al. (2018): Recovery of Over-Ground Walking after Chronic Motor Complete Spinal Cord Injury. N Engl J Med; 379: 1244-1250. DOI: 10.1056/NEJMoa1803588.

Weitere Recherchequellen

[a] Science Media Center Germany (2018): Querschnittsgelähmter läuft Schritte mit Rückenmark-Stimulation. Research in Context. Stand: 24.09.2018.

Formento E et al. (2018): Electrical spinal cord stimulation must preserve proprioception to enable locomotion in humans with spinal cord injury. Nature Neuroscience. DOI: 10.1038/s41593-018-0262-6.

Moritz C (2018): A giant step for spinal cord injury research. Nature Neuroscience. DOI: 10.1038/s41593-018-0264-4.