Configuración somatotópica de los tejidos distales de las extremidades residuales en las amputaciones de las extremidades inferiores

Antecedentes históricos

La amputación de las extremidades inferiores se encuentra entre los procedimientos quirúrgicos más antiguos conocidos en la historia médica. Sin embargo, a pesar del paso de más de dos milenios, relativamente poco ha cambiado en el enfoque operativo. Actualmente, la amputación de miembros inferiores está indicada con mayor frecuencia por compromiso de las extremidades inferiores debido a una enfermedad vascular periférica grave, seguida en poco tiempo por traumatismos, tumores, infecciones y deficiencias congénitas de las extremidades. Las estimaciones de la frecuencia de amputaciones de miembros inferiores oscilan entre 30 000 y 40 000 casos por año solo en los Estados Unidos.

La función normal de la extremidad inferior se habilita a través de la interacción de múltiples grupos de músculos que actúan en conjunto. La deambulación es un proceso biomecánico notablemente orquestado que depende de un circuito de retroalimentación complejo que involucra los sistemas nerviosos central y periférico y el sistema musculoesquelético. En su estado nativo, los músculos de la extremidad inferior existen en un medio agonista/antagonista equilibrado en el que la activación voluntaria de un músculo conduce no solo a su contractura, sino también a la extensión pasiva de su opuesto. Los cambios en la tensión muscular que se manifiestan a través de estos cambios conducen a la estimulación de receptores especializados dentro de las fibras musculares que transmiten información sobre la posición de las articulaciones a la corteza cerebral. Tal retroalimentación, junto con la información sensorial cutánea de los mecanorreceptores de la piel, nos brinda una sensación de propiocepción de las extremidades que, en última instancia, permite un control de las extremidades de alta fidelidad, incluso en ausencia de retroalimentación visual.

Sin embargo, el enfoque quirúrgico estándar para la amputación de miembros inferiores, ya sea por debajo de la rodilla (BKA) o por encima de la rodilla (AKA), anula muchas de las relaciones dinámicas características de la extremidad inferior no lesionada. La exposición inicial se logra a través de una incisión en forma de escalón (BKA) o de boca de pez (AKA), seguida de una sección progresiva de músculos, vasos, nervios y huesos al nivel de la incisión. Los tejidos distales al sitio de la transección estructural se descartan, independientemente de si puede haber o no segmentos viables, y los músculos residuales proximales se colocan en capas sobre el hueso diseccionado distal para proporcionar aislamiento a esta superficie ósea expuesta. Luego se avanza la piel circundante sobre la infraestructura ósea/músculo para lograr el cierre definitivo. La aproximación rudimentaria de los tejidos en la extremidad distal en estos abordajes da como resultado una masa cicatricial desorganizada en la que se destruyen las relaciones musculares dinámicas normales. El desacoplamiento de los pares de músculos agonistas/antagonistas nativos da como resultado una contracción isométrica de los grupos de músculos residuales tras la activación voluntaria, lo que produce una retroalimentación neuronal incompleta y desequilibrada al cerebro que da como resultado una percepción aberrante de la posición del muñón. Tal retroalimentación perturbada no solo da como resultado una función ambulatoria deteriorada con prótesis, sino que también se manifiesta como una percepción sensorial patológica de la extremidad en forma de miembro fantasma y sintomatología de dolor fantasma.

Hasta la fecha, los proveedores y los pacientes han tolerado las limitaciones de estos enfoques debido al objetivo bastante simplista de la amputación de miembros inferiores: proporcionar una superficie estable y acolchada para el montaje de la prótesis. Históricamente, las prótesis de extremidades inferiores han brindado a los amputados la oportunidad de recuperar al menos cierta medida de la función ambulatoria. Actualmente, las prótesis estándar de miembros inferiores permiten al usuario caminar de manera rudimentaria, así como ocasionalmente correr. Sin embargo, tales dispositivos generalmente no han podido recapitular la biomecánica compleja de la extremidad inferior humana debido a los rangos de movimiento limitados y la falta de control de retroalimentación. Estas limitaciones han resultado en cinemáticas sustancialmente alteradas en amputados de extremidades inferiores que se asocian con alteraciones en los perfiles de gasto de energía que empeoran con la lateralidad y el nivel ascendente.

Sin embargo, está amaneciendo una era en la que las capacidades de las prótesis modernas se están ampliando notablemente. Los avances tecnológicos que incluyen electrónica cada vez más miniaturizada, comunicaciones inalámbricas y sensores posicionales cada vez más refinados han permitido a los desarrolladores de prótesis crear extremidades biónicas de última generación con grados de libertad marcadamente mejorados con respecto a los modelos anteriores. Se ha demostrado que dichas prótesis mejoran notablemente el gasto de energía de los amputados que las utilizan adecuadamente. Actualmente se están desarrollando prótesis aún más avanzadas que incorporan la capacidad de proporcionar un control activo intrínseco de las extremidades para facilitar acciones motoras complejas, como bailar y mantener el equilibrio sobre una pierna. Además, actualmente se están desarrollando prototipos de prótesis que tienen el potencial de ofrecer retroalimentación sensorial, tanto táctil como posicional, de una manera nunca antes vista. Dichas prótesis, aunque aún no están disponibles comercialmente, actualmente se utilizan en entornos experimentales.

Sin embargo, estos avances tecnológicos en el ámbito del desarrollo de prótesis no se han correspondido con los avances quirúrgicos en lo que respecta al manejo del muñón. Las técnicas clásicas de amputación de miembros inferiores no proporcionan interfaces inervadas que puedan servir como relés para el control de prótesis complejas; sin dichos actuadores biológicos en el muñón para proporcionar conductos para el intercambio de información, las prótesis de próxima generación son de poca utilidad. Dicho de otra manera, las prótesis de próxima generación actualmente incorporan controladores y sensores capaces de proporcionar una funcionalidad mucho más mejorada que nunca antes, pero los enfoques estándar para la amputación de extremidades no brindan una forma de vincular de manera efectiva estas prótesis con sus beneficiarios previstos. Ahora se requiere una evolución en la forma en que se realizan las amputaciones de miembros inferiores, una que proporcione una interfaz biológica que permita a los amputados de miembros inferiores aprovechar las capacidades mejoradas que ofrecen las notables prótesis actualmente en desarrollo.

Estudios Preclínicos o Clínicos Previos

El reconocimiento de la creciente necesidad de interfaces neurales efectivas para prótesis de miembros ha sido evidenciado por un número creciente de esfuerzos en esta esfera durante la última década. Los esfuerzos iniciales para proporcionar un control de alta resolución de las prótesis distales se centraron principalmente en las interfaces cerebrales directas e indirectas, ya sea mediante la colocación de sensores electroencefalográficos en el cuero cabelludo o electrodos parenquimatosos implantables, respectivamente. Sin embargo, tales esfuerzos han estado plagados de mala resolución, inconsistencias en la adquisición de señales y reacciones progresivas a cuerpos extraños que conducen a la degradación del impulso con el tiempo.

A medida que las limitaciones de las interfaces cerebrales se han vuelto más evidentes, el enfoque se ha desplazado hacia las interfaces nerviosas periféricas directas, incluidos los tamices y manguitos interpuestos diseñados para transducir señales eléctricas directamente desde los fascículos nerviosos individuales a las prótesis distales. Sin embargo, estos monitores han mostrado poca promesa clínica debido a la compresión nerviosa progresiva secundaria a la cicatrización, así como a interferencias e interferencias neurológicas significativas en modelos biológicos.

Como tal, los esfuerzos más prometedores con respecto al desarrollo de la interfaz de los nervios periféricos se encuentran ahora dentro del ámbito de los sistemas biológicos. Los dos modelos punteros en este ámbito son los siguientes:

• Reinervación muscular dirigida (TMR): TMR es una técnica mediante la cual se utiliza una serie de transferencias nerviosas para reinervar músculos específicos para crear sitios de control protésicos adicionales después de la amputación de una extremidad proximal. Estas transferencias de nervios ofrecen un control intuitivo de las prótesis distales porque los músculos reinervados están controlados por los mismos nervios que alguna vez inervaron la extremidad amputada. Las señales creadas por los nervios residuales son amplificadas por los músculos receptores, que son capturadas por electrodos de superficie y transducidas a la prótesis distal. Los procedimientos de TMR se han realizado en más de 40 pacientes hasta la fecha. Sin embargo, las limitaciones de esta técnica incluyen el número finito de sitios de señal electromiográfica disponibles debido a restricciones anatómicas y problemas con la fidelidad de la señal a largo plazo.
• Interfaces nerviosas periféricas regenerativas (RPNI): RPNI ofrece una versión alternativa de una interfaz biológica inervada. Una RPNI es una construcción quirúrgica que consta de un segmento de músculo no vascularizado que se acopla a una terminación nerviosa sensorial o motora distal. A diferencia de la TMR, el músculo RPNI no se recluta de un músculo proximal normalmente inervado; en cambio, se construye como un injerto libre a partir de tejido donante de origen ortotópico. El segmento muscular se reinerva gradualmente por la terminación nerviosa redirigida, que luego promueve la activación voluntaria del segmento muscular cuando lo activa el sistema nervioso central. Al igual que en la TMR, el control intuitivo ocurre porque los músculos reinervados están controlados por los mismos nervios que alguna vez inervaron la extremidad amputada. Sin embargo, a diferencia de la TMR, no hay limitaciones en los sitios anatómicos y no parece haber problemas con la fidelidad de la señal a largo plazo.

Si bien tanto la TMR como las RPNI han demostrado ser prometedoras al ofrecer una funcionalidad mejorada a los pacientes que ya se han sometido a una amputación, ninguna técnica se ha incorporado en un rediseño fundamental de la forma en que se realizan las amputaciones en primer lugar; en todos los casos de implementación clínica de TMR o RPNI informados hasta la fecha en la literatura, estas técnicas se han empleado para optimizar aún más la funcionalidad de los pacientes que ya han experimentado la pérdida de una extremidad.

Justificación y beneficios potenciales

Este protocolo clínico propone una iteración del modelo RPNI, con la intención de incorporar estas construcciones quirúrgicas en el diseño de amputaciones de miembros inferiores en el momento del sacrificio de miembros. Dado el éxito de esta técnica hasta la fecha, los investigadores creen que la incorporación de segmentos musculares inervados en el diseño del muñón tiene el potencial de proporcionar a los amputados de miembros inferiores una interfaz biológica para un control motor protésico sin precedentes que no solo es de alta resolución sino también muy intuitivo y práctico. capaz de restaurar la propiocepción de las extremidades. Además, se anticipa que permitir que los amputados tengan un mayor control de las prótesis avanzadas puede ofrecer el potencial para normalizar la cinemática de la marcha, corrigiendo así las alteraciones en el gasto de energía que se han informado anteriormente. Tales medidas prometen optimizar la salud funcional y general de los amputados de extremidades inferiores, reduciendo así la morbilidad actualmente asociada con el estado de amputado.

Objetivos Específicos

La hipótesis de este protocolo de investigación es que podremos rediseñar la forma en que se realizan las amputaciones de miembros inferiores para incluir actuadores biológicos que permitan el empleo exitoso de prótesis de extremidades inferiores de próxima generación. Los objetivos específicos del proyecto son los siguientes:

1. Definir un enfoque estandarizado para la realización de un nuevo procedimiento quirúrgico para amputaciones por debajo de la rodilla (BKA) y por encima de la rodilla (AKA).
2. Medir el grado de activación motora voluntaria y excursión que se puede lograr en las construcciones del muñón, y determinar la configuración y el diseño óptimos de tales construcciones.
3. Describir el grado de retroalimentación propioceptiva y sensorial que se puede lograr mediante el empleo de estas técnicas quirúrgicas modificadas.
4. Validar la superioridad funcional y somatosensorial de la técnica de amputación propuesta sobre los enfoques estándar para BKA y AKA.
5. Desarrollar una estrategia de rehabilitación postoperatoria aguda modificada adecuada a este nuevo abordaje quirúrgico.