Elektrostimulation ermöglicht Bewegung nach Querschnittlähmung

Ein neu entwickeltes Implantat mit 16 kleinen Elektroden und eine personalisierte Stimulation hilft Querschnittgelähmten, schneller wieder stehen und gehen zu lernen als bisher mit experimenteller Technik möglich. Das berichtet ein Forscherteam aus Lausanne in „Nature Medicine“ (siehe Primärquelle). Die Forscher hatten drei Probanden einen elektrischen Pulsgeber, ein Kabelbündel und das neu entwickelte Elektrodenarray implantiert. Das Array besteht aus einer gut sieben Zentimeter langen und knapp anderthalb Zentimeter breiten Folie, auf der 16 kleine Elektroden angeordnet sind. Diese werden so in der Wirbelsäule platziert, dass die Elektroden über die Nervenfasern Motor-Neuronen im Rückenmark stimulieren und so Muskeln im Bein und im Rumpf gezielt aktivieren. Die elektrischen Impulse werden dabei individuell auf die Probanden eingestellt.

Bereits wenige Stunden nach dem Beginn der Therapie hätten die drei Patienten – zwei mit kompletter und einer mit inkompletter Querschnittlähmung – wieder erste Muskelbewegungen hervorrufen können. Nach mehreren Monaten Training seien die Testpersonen wieder in der Lage gewesen, mit Gehhilfen stundenweise zu stehen und zu gehen. Allerdings müssen sie diese Bewegungen über ein Tablet ansteuern, sie können sie nicht willkürlich hervorrufen.

Das Prinzip hat die Forschergruppe bereits 2018 vorgestellt (siehe Research in Context, [I]). Mit der verbesserten Technik sei es nun möglich, mehr Muskeln zu bewegen und chronisch gelähmte Patientinnen und Patienten zu therapieren. Die Forschenden präsentieren hier erste Fallbeispiele, die noch unter experimentellen Bedingungen durchgeführt und fortlaufend an weiteren Probanden klinisch geprüft werden müssen.

Das SMC befragte Experten, inwiefern die hier vorgestellte Methode das Potenzial und die Reife besitzt, querschnittgelähmten Menschen eine alltagstaugliche Anwendung und Beweglichkeit zu ermöglichen.

 

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

 

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

 

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

 

Statements

Prof. Dr. Norbert Weidner

Ärztlicher Direktor der Klinik für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg

„Die Arbeit hat nochmals relevante neue Erkenntnisse zur optimierten epiduralen Stimulation zu Tage gefördert, die eine raschere und effektivere Stimulation des Rückenmarks ermöglichen kann. In den zurückliegenden diesbezüglichen Studien wurden etablierte Technologien herangezogen, welche klinisch bereits bei chronischer Schmerzbehandlung durch spinale Stimulation Anwendung finden.“

„In der vorliegenden Arbeit wurden nun speziell konfigurierte und angepasste Elektrostimulations-Arrays erprobt, welche gezielt basierend auf hochkomplexen und aufwendigen strukturellen (MRT des Rückenmarks, post mortem Rückenmark-Vermessungen) und funktionellen (funktionelle MRT) Analysen angepasst wurden. Demzufolge kann eine noch präzisiere indirekte Ansteuerung gelähmter Beinmuskeln inklusive bestimmter Muskeln im Bereich des Rumpfes als Voraussetzung für effizientere koordinierte Bewegungen wie Gehen, Stehen oder Schwimmen ermöglicht werden.“

„Aktuell wurden drei Patienten aus einer laufenden klinischen Studie ausgewählt, die im Gegensatz zur Vorarbeit der Gruppe von 2018 [1] eine motorisch komplette Querschnittlähmung auf Höhe des Brustmarks erlitten haben, deren Beginn zwischen einem bis neun Jahre zurückliegt – eine sogenannte chronische Querschnittlähmung. Nach Aussage der Autoren konnte bereits einen Tag nach Implantation und erstmaliger Stimulierung Geh- und Stehaktivität induziert werden, allerdings in der Anfangsphase noch mit erheblicher Körpergewichtsentlastung. Erst im Verlauf der intensiven neuro-rehabilitativen Interventionen – vor allem intensives Gangtraining – konnte die Körpergewichtsentlastung komplett zurückgefahren werden, sodass die Patienten mit Rollator ohne weitere Assistenz gehfähig waren. In der Arbeit von 2018, an inkomplett Querschnittgelähmten, konnte eine vergleichbare Gehfunktion erzielt werden, damals kam es außerdem zu einer Verbesserung der willkürlichen Muskelansteuerung. Eine willkürliche Muskelansteuerung wird in der aktuellen Studie bei den komplett Querschnittgelähmten durch das angewandte Stimulationsverfahren nicht erzielt.“

„Die Alltagstauglichkeit der epiduralen Stimulation in der gezeigten Art und Weise ist nach wie vor äußerst limitiert – geringe Gehgeschwindigkeit, unphysiologisches Gangbild mit relativ hohem Energieaufwand. Insofern unterscheidet sich die aktuelle Studie auch nicht von der 2018 veröffentlichten Arbeit. Es wurden aber neue Grundlagenerkenntnisse betreffend die Anatomie und Funktionsweise des Rückenmarks gewonnen, die für Weiterentwicklungen vergleichbarer Therapieverfahren wichtig sind.“

„Eine grundsätzliche Anwendung ist nun auch bei komplett Querschnittgelähmten denkbar, bei denen im Gegensatz zu inkomplett Querschnittgelähmten keine spontane Erholung der Gehfunktion eintritt. Allerdings geht aus der Arbeit nicht hervor, wie viele Patienten gescreent werden mussten, um tatsächlich drei Patienten in die Studie einzuschließen. Insofern ist es schwierig, vorherzusagen, wie breit diese Technologie zur Anwendung gebracht werden kann.“

PD Dr. Rainer Abel

Chefarzt der Klinik für Orthopädie und Querschnittsgelähmte, Klinikum Bayreuth

„Die Autorengruppe hat ihr bereits vor einiger Zeit veröffentlichtes Projekt der rückenmarksnahen Elektrostimulation weiterverfolgt und die Ergebnisse verbessert. Der hier beschriebene entscheidende Schritt war die Entwicklung einer spezialisierten Elektrode, die besser als die zunächst verwendete Elektrode funktionell verwertbare Bewegung erreichen kann. Auch sind die Anforderungen an die noch verbliebenen Restfunktionen geringer. Die Ausdauer der Patienten ist schon beeindruckend – sowohl bezüglich der erreichten Gehstrecke als auch bezüglich des Trainingsablaufes.“

„Wir sind uns in vielen Fachgremien mittlerweile einig, dass es nicht die ‚eine‘ Pille oder die ‚eine‘ Methode zur Behandlung von Querschnittlähmungen geben wird. Dafür ist das gestörte System des Nervensystems viel zu komplex. Von daher sind die Ergebnisse sehr ermutigend und werden sicher ihren Platz in der Therapie finden.“

„Spannend ist sicher, dass auch Patienten mit weitgehend kompletter Lähmung von dem Verfahren profitieren.“

„Allerdings – bei allen tollen Erfolgen, besonders die im Video gut zu sehende Stehfähigkeit dieser Patienten! – ist der erreichte Gang immer noch kein Ersatz für den Rollstuhl. Dies betrifft sowohl die erreichten Strecken als auch die Geschwindigkeit und den notwendigen Energieeinsatz.“

„In der Zusammenschau muss man den Autoren zu ihrer Arbeit gratulieren.“

Prof. Dr. Winfried Mayr

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

„Die Arbeit präsentiert gegenüber 2018 einen nächsten wichtigen Entwicklungsschritt im Rahmen derselben breit angelegten Machbarkeitsstudie STIMO, in der epidurale elektrische Mehrkanalstimulation des Rückenmarks auf ihre Eignung als Werkzeug für die Bewegungsrehabilitation untersucht werden soll. Das kann potenziell raschere und weitergehende Regeneration von Bewegungsfunktionen unterstützen. Die Anwendung soll in Kombination mit postoperativem intensivem Gehtraining auf festem Untergrund erfolgen, das durch eine Vorrichtung zur Gewichtsentlastung ergänzt wird. Diese ermöglicht auch dann eine aufrechte Haltung, wenn aufgrund der Lähmung die notwendigen Stützkräfte nicht oder nur teilweise selbst bewerkstelligt werden können.“

„Der Ansatz baut – wie schon 2018 – auf einem industriell verfügbaren Stimulationssystem auf, das ursprünglich für die Schmerztherapie entwickelt wurde, und am Markt in leicht variierender Form über mehrere Anbieter stabil verfügbar ist. Die Gruppe bemüht sich, diese Technologie in den Stimulationsalgorithmen und Elektrodenpositionen so weit zu modifizieren und optimieren, dass an wichtigen Stellen unterhalb der Querschnittverletzung in dort unverletzt erhalten gebliebenen Nervenstrukturen gezielt Steuersignale eingeleitet werden können, die zumindest zum Teil fehlende Signale aus höher liegenden Bereichen ersetzen, die die Verletzungsstelle nicht mehr passieren können.“

„Dieses Prinzip, das international auch andere Forschungsgruppen mit ähnlichen Ansätzen verfolgen, ist schon längere Zeit bekannt und hat in der Vergangenheit immer wieder zu spannenden Einzelerfolgen geführt. Gleichzeitig kann aber nicht oft genug betont werden, dass ganz bestimmte Ausprägungen der Verletzung gegeben sein müssen, um auf diesem Weg weiterzukommen, und leider bei sehr vielen Betroffenen diese nicht gegeben sind. Im Wesentlichen muss ein geeigneter Teil der willentlichen Bewegungssteuerung durch die Verletzungsstelle hindurch erhalten geblieben sein, man spricht von einer ‚diskompletten Lähmung‘, der zwar für sich allein Bewegungen nicht steuern kann, jedoch über ergänzende sensorische Elektrostimulation auf ein Erregungsniveau gehoben werden kann, was diesen verbliebenen willentlichen Resteinfluss auf Bewegungsfunktionen wirksam werden lässt.“

„Der Ansatz der STIMO-Gruppe setzt auf abwechselnde und bewegungssynchrone kurze Intervallstimulation jener Nerveneintrittsstellen, an denen Feedback-Signale aus den wichtigsten Beugern und Streckern der Beinmuskulatur gerade ankommen. In Abhängigkeit der jeweils aktiven Bewegungsabläufe werden Muskelkontraktionen über eine augmentierend wirkende Frequenz (20 Hz) unterstützt und gleichzeitig Antagonisten über eine inhibierend wirkende Frequenz (100 Hz) entspannt. Wenn die Voraussetzung der ‚Diskomplettheit‘ gegeben ist, kann es zu einem Zusammenspiel mit dem verbliebenen willentlichen Einfluss kommen, als Basis für den therapeutischen Aufbau weitergehender Rehabilitation der Bewegungskontrolle.“

„Der wesentliche Entwicklungsschritt gegenüber dem bereits 2018 vorgestellten Prinzip liegt in einer Erweiterung und Personalisierung des implantierten Elektrodenarrays, im Wesentlichen über relativ aufwendige multimodale medizinische Bildgebung und moderne Modellbildungsverfahren. Es werden die individuellen anatomischen Eintrittsstellen und Verläufe der sensorischen Nervenwurzeln mit hochauflösenden Techniken erfasst und über fMRI (funktionelle Magnetresonanztomographie. Damit kann man beobachten, welche Hirnareale oder Nervenstränge aktiv sind. Anm. d. Red.) und elektrophysiologische Tests optimale Reizpunkte bestimmt. Anhand eines daraus entwickelten 3D-Modells wird ein an die individuellen anatomischen Details angepasstes Elektrodenarray angefertigt, dessen genaue Lage im Rahmen der Implantation über intraoperative Funktionstests optimiert wird. Zusätzlich zur genaueren Positionierung der Elektrodenkontakte in der persönlichen Anatomie wurde das Array auch in der Länge erweitert, sodass ergänzend zu den Reizpunkten für die Beinmuskulatur auch Haltungsmuskulatur im Rumpfbereich mitbeeinflusst werden kann – ebenfalls ein wichtiger Entwicklungsschritt für verbesserte Haltungskontrolle.“

„Weitere Entwicklungsschritte wurden in Hard- und Softwarekomponenten gesetzt, um das aufwendige technische Gesamtsystem besser bedienbar und mobiler zu gestalten.“

„Der Entwicklungsfortschritt ist in mehrfacher Hinsicht geeignet, um in Richtung Alltagstauglichkeit weiterzukommen. Um diese zu erreichen, bleibt jedoch noch vieles zu tun. Einerseits ist das Prinzip, auf bereits zugelassene medizinische Implantatstechnik aufzubauen, sehr wichtig, da viele Entwicklungsdetails und vor allem auch Zulassungserfordernisse nach MDR (Medical Device Regulation oder auch Europäische Medizinprodukteverordnung; Anm. d. Red.) bereits gelöst sind und der sehr große Markt der Grundanwendung Schmerzbehandlung auch eine längerfristige Verfügbarkeit der Komponenten realistischer macht. In kleineren Marktsegmenten, wie der Querschnittrehabilitation, besteht hingegen die Gefahr, dass auch sehr gute Produkte sich aus wirtschaftlichen Gründen nicht am Markt halten können. Dazu gibt es leider schon bedauerliche Beispiele. Andererseits ist der Entwicklungsstand der hier in der Studie verwendeten Technik der eines sehr komplexen Laboraufbaus aus verschiedenen vernetzten Komponenten. Daraus muss erst ein im klinischen Alltag handhabbares Produkt mit realistischer Kostenstruktur werden, was noch einiges an Aufwand bedeuten wird. Am Ende muss eine Lösung stehen, die ein überzeugendes Kosten-Nutzen-Verhältnis bietet.“

„Trotz der präsentierten positiven Fallbeispiele muss betont werden, dass sich leider keine baldige Lösung für alle von Querschnittlähmung Betroffenen abzeichnet. Die drei Personen hatten mit Sicherheit besonders günstige Voraussetzungen, die in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle fehlen. Bedauerlicher Weise ist insbesondere die Darstellung im rasch lesbaren Abstract so unglücklich formuliert, dass leicht falsche Hoffnungen und Erwartungen ausgelöst werden könnten. Wenn man sich in die komplexen detaillierteren Ausführungen vertieft, stellt sich heraus, dass wertvolle Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu einer äußerst komplexen Fragestellung geleistet wurde. Jedoch ist der in Abstract und Diskussion vermittelte Eindruck, drei Personen mit kompletter motorischer und sensorischer Querschnittlähmung (bei genauerem Hinsehen eigentlich nur auf zwei zutreffend) hätten nach der Implantation ‚innerhalb eines Tages‘ Stehen, Gehen, Radfahren, Schwimmen und Rumpfkontrolle wiederherstellen können, in den Details sehr stark zu relativieren. Auch mit unterstützender Stimulation bleibt der weitere Rehabilitationsprozess aufwendig und zeitraubend, und im Erreichbaren limitiert.“

„Das soll das solide wissenschaftliche Ergebnis nicht schmälern, jedoch sollte bezüglich Information der Öffentlichkeit verantwortungsbewusster vorgegangen werden, um die Betroffenen entsprechend klar und verständlich zum Stand der Forschung auf dem Laufenden zu halten, ohne Erwartungen zu wecken, die bis auf weiteres nicht erfüllbar sein werden.“

„Grundsätzlich lässt sich der individuelle Nutzen der vorgestellten Methode für Patienten nicht aus der klinischen Einstufung des AIS-Grades der Lähmung (das Ausmaß der Lähmung wird von den Medizinern nach der American Spinal Cord Association (ASIA) in fünf Grade eingeteilt; Anm. d. Red.) allein ableiten. Es müssen besondere Voraussetzungen hinsichtlich erhalten gebliebener willentlicher Restkontrolle, über die Verletzungsstelle hinweg, gegeben sein. Für den Großteil der Betroffenen werden daher über den vorgestellten Ansatz die Ergebnisse nicht im beschriebenen Ausmaß erreichbar sein. Für diese sind jedoch andere Stimulationswerkzeuge verfügbar, etwa für Muskeltraining oder Spastikregulierung, die das Spektrum der Möglichkeiten in der Bewegungsrehabilitation – komplementär zu anderen bewährten Modalitäten – vorteilhaft erweitern. Die Ausprägung der Veränderungen nach Querschnittlähmung bleiben ein hochgradig individuelles Geschehen, entsprechend individuell müssen auch die Rehabilitationsstrategien und der Einsatz geeigneter technischer Mittel gestaltet werden. Die individuell erzielbaren Ergebnisse werden in absehbarer Zeit sehr unterschiedlich bleiben. Die unterstützende Technik wird die Möglichkeiten weiter schrittweise verbessern, ein Durchbruch in Richtung einer universellen Gesamtlösung bleibt bis auf weiteres unrealistisch und sollte auch nicht leichtfertig versprochen werden.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

PD Dr. Rainer Abel: „Ich habe keine Interessenkonflikte.“

Prof. Dr. Winfried Mayr: „Bezüglich eines der 69 Co-Autoren: Dr. Minassian war vor Jahren vorübergehend als Postdoc in einem meiner Projekte angestellt, daher haben wir einige gemeinsame Publikationen. Er hat 2016 auf eine Stelle im EPFL gewechselt und es gibt seither weder Kontakt noch gemeinsame Aktivitäten. Er ist kürzlich an die Meduni Wien zurückgekehrt, während ich inzwischen im Ruhestand bin. Ich bin noch weiterhin in der Querschnittambulanz an der Meduni und in der studentischen Lehre aktiv, daraus ergeben sich aber keinerlei Berührungspunkte. Daher sehe ich keinerlei Befangenheit hinsichtlich meiner Stellungnahme, wollte dies aber offengelegt haben.“ 

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Rowald A et al. (2022): Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis. Nature Medicine. DOI: 10.1038/s41591-021-01663-5.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] 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 vom SMC zitiert wurden

[I] Science Media Center Germany (2018): Querschnittsgelähmte laufen selbstständig mit Elektrostimulation. Reserach in Context. Stand: 31.10.2018.