Un enfoque novedoso para la amputación de la extremidad superior para aumentar el control volitivo y restaurar la propiocepción

La amputación de la extremidad superior se encuentra entre los procedimientos quirúrgicos más antiguos conocidos en la historia de la medicina, y muchos de sus principios técnicos fueron aclarados por primera vez por Hipócrates. A pesar del paso de más de dos milenios, relativamente poco ha cambiado en el abordaje quirúrgico del sacrificio del miembro superior. Se estima que 58 000 pacientes en los Estados Unidos actualmente sufren pérdida de extremidades superiores en el nivel por encima del codo (AEA) o por debajo del codo (BEA), y se espera que la prevalencia de amputación de extremidades superiores aumente a aproximadamente 95 000 pacientes para 2050.

La función normal de la extremidad superior se habilita a través de la interacción dinámica de múltiples grupos de músculos que actúan en conjunto. La destreza manual 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 superior existen en una situación equilibrada de agonista/antagonista en la que la activación voluntaria de un músculo conduce no solo a su contractura, sino también al estiramiento pasivo de su opuesto. Los cambios en la tensión muscular que se manifiestan a través de esta interacción de unidades agonistas y antagonistas conducen a la estimulación de receptores especializados dentro de las fibras musculares (p. ej., fibras del huso muscular y órganos tendinosos de Golgi) 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.

Desafortunadamente, el abordaje quirúrgico estándar para la amputación de la extremidad superior, ya sea a nivel de AEA o BEA, elimina muchas de las relaciones dinámicas características de la extremidad superior no lesionada. La exposición quirúrgica inicial generalmente se logra a través de una incisión en forma de boca de pez, seguida de una sección transversal 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. A continuación, se hace avanzar la piel circundante sobre la construcción de hueso/músculo para lograr el cierre definitivo. La aproximación rudimentaria de tejidos discordantes en la extremidad distal en este abordaje 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 conduce a una función deficiente de la extremidad con prótesis, sino que también se manifiesta como una percepción sensorial patológica de la extremidad en forma de síntomas de miembro fantasma y dolor fantasma.

Hasta la fecha, se han tolerado las limitaciones de estos enfoques debido al objetivo bastante simplista de la amputación del miembro superior: proporcionar una superficie estable y acolchada para montar una prótesis. Históricamente, las prótesis de extremidades superiores han brindado a los amputados la oportunidad de recuperar al menos cierta medida de la función de las extremidades superiores. Sin embargo, tales dispositivos generalmente no han podido recapitular la biomecánica compleja de la extremidad superior humana debido a los rangos de movimiento limitados y la falta de control de retroalimentación. Estas limitaciones han dado como resultado tasas de rechazo de prótesis de miembros superiores que oscilan entre el 23 % y el 45 %, incluidos los dispositivos mioeléctricos y accionados por el cuerpo.

Sin embargo, las capacidades de las prótesis modernas ahora se están expandiendo 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 mucho mejores que los modelos anteriores. Actualmente se están desarrollando prótesis aún más avanzadas que tienen el potencial de ofrecer retroalimentación sensorial, tanto táctil como posicional, de una manera nunca antes vista. Dichos dispositivos protésicos, aunque aún no están disponibles comercialmente, actualmente se están estudiando en entornos experimentales. Por ejemplo, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) emitió recientemente una solicitud de propuestas en el marco del Programa Hand, Propioception and Touch Interfaces (HAPTIX) que incorpora una prótesis de miembro superior que incluye seis grados de libertad en la muñeca, el pulgar y todos los dedos, 10 sensores de presión capaces de proporcionar retroalimentación sensorial, y sensores de velocidad y ángulo articular capaces de proporcionar datos de posición articular.

A pesar de estos avances tecnológicos en el desarrollo de prótesis, los métodos quirúrgicos relacionados con el manejo del muñón no han seguido el ritmo de estas capacidades mejoradas de prótesis. Las técnicas clásicas de amputación de miembros superiores no proporcionan interfaces inervadas que puedan servir como relés para el control protésico complejo; sin dichos actuadores biológicos en el muñón para proporcionar conductos aferentes y eferentes para el intercambio de información, las prótesis de próxima generación son de poca utilidad. Dicho de otra manera, los dispositivos protésicos 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 a sus beneficiarios previstos. Ahora se requiere una evolución en la forma en que se realizan las amputaciones de miembros superiores, una que proporcione una interfaz biológica que permita a los amputados de miembros superiores aprovechar las capacidades mejoradas que ofrecen las notables prótesis actualmente en desarrollo.

El reconocimiento de la creciente necesidad de interfaces neurales efectivas para prótesis de miembros se puede ver en el creciente número 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 indirectas y directas, 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, en el caso de dispositivos implantables, 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 los loci de control periférico. Los esfuerzos en este sentido han incluido interfaces nerviosas periféricas directas que incluyen tamices y manguitos interpuestos diseñados para transducir señales eléctricas directamente desde fascículos nerviosos individuales a prótesis distales. Sin embargo, estos monitores han mostrado poca promesa clínica debido a la compresión nerviosa progresiva secundaria a la cicatrización, así como a la interferencia neurológica significativa y la interferencia en los modelos biológicos.

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. Estos modelos consisten en configuraciones en las que los tejidos nativos están inervados con terminaciones nerviosas distales para crear actuadores biológicos para el control y la retroalimentación de la prótesis distal. Los dos modelos punteros en este ámbito son los siguientes:

• Reinervación muscular dirigida (TMR): iniciada por Dumanian y Kuiken et al, la TMR es una técnica mediante la cual se utiliza una serie de transferencias nerviosas para reinervar músculos específicos para crear sitios de control de prótesis adicionales después de la amputación de la extremidad distal.
• Interfaces nerviosas periféricas regenerativas (RPNI): Defendida por Cederna et al, 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.

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 habían experimentado la pérdida de una extremidad.

El protocolo clínico propone una reinvención de la forma en que se realizan las amputaciones de miembros superiores, basándose en varios de los principios establecidos en el trabajo ya realizado en el ámbito de la TMR y las RPNI. Como se detalla a continuación, la innovación central es la utilización de los tejidos distales de las extremidades que normalmente se sacrificarían en el curso de las amputaciones estándar de las extremidades inferiores para proporcionar el sustrato para pares inervados de forma nativa de músculos agonistas/antagonistas capaces no solo de activación motora voluntaria e intuitiva, sino también de también retroalimentación propioceptiva. Conceptualmente, esta idea consiste en la vinculación física de músculos biológicamente opuestos (por ejemplo, el bíceps y el tríceps) de tal manera que cuando se efectúa la contracción neurológica de un músculo, también se logra el estiramiento simultáneo de su compañero, lo que resulta en un movimiento observable de la díada y la estimulación. de vías propioceptivas estándar. Los investigadores han llamado a esta construcción interfaz mioneural agonista-antagonista (AMI).

La manera en que este concepto dinámico de músculo agonista/antagonista puede ponerse en práctica clínicamente depende de si los músculos nativos intactos, inervados y vascularizados están presentes o no en el momento de la intervención quirúrgica. Durante los últimos cinco años, el grupo de investigación ha desarrollado modelos experimentales para una variedad de escenarios clínicos a través de una serie de investigaciones preclínicas en poblaciones tanto murinas como caprinas.

Si se dispone de músculo nativo sano como sustrato reconstructivo, se puede incorporar la coaptación de los extremos distales de los pares de agonista/antagonista desinsertados en el diseño del muñón; cuando se combina con un canal sinovial nativo como interfaz de deslizamiento, se puede establecer un sistema similar a una polea para proporcionar una construcción muscular dinámica. La construcción de AMI en un modelo de rata ha demostrado la preservación de la masa muscular construida, la viabilidad a lo largo del tiempo y la producción de señales aferentes graduadas en respuesta a los estiramientos de rampa y retención de una manera similar a la arquitectura muscular nativa. Además, la realización de una amputación a nivel transtibial con la incorporación de la construcción AMI en un modelo de cabra ha demostrado un claro movimiento acoplado del par agonista-antagonista en presencia de comandos neurales naturales y estimulación muscular artificial.

Con base en estos estudios de prueba de concepto en animales, los investigadores plantean la hipótesis de que el AMI ofrece el potencial de proporcionar un relé biológico para el control volitivo que es superior a otras estrategias de interfaz neural, con el beneficio adicional de poder restaurar la propiocepción de las extremidades. Cuando se combina con una prótesis de próxima generación adecuadamente adaptada, el AMI puede proporcionar el primer mecanismo biológico para lograr una verdadera interactividad neuronal de circuito cerrado con una extremidad mecánica.

Los investigadores aquí proponen una evaluación prospectiva y controlada de tres años de las ventajas funcionales y somatosensoriales del modelo de amputación modificado en un escenario de extremidad superior. Los investigadores creen que este modelo tiene el potencial de proporcionar a los amputados de las extremidades superiores una interfaz biológica que ofrece no solo un control motor de prótesis de alta resolución sin precedentes, sino que también es muy intuitivo y capaz de restaurar la propiocepción de las extremidades. Si se manifiestan, estas capacidades aumentadas pueden resultar en una funcionalidad mejorada y resultados generales de salud, incluido un estado de regreso al trabajo más sólido y una menor tensión psicológica.