Configurazione somatotopica dei tessuti degli arti residui distali nelle amputazioni degli arti inferiori

Sfondo storico

L'amputazione degli arti inferiori è tra le più antiche procedure chirurgiche conosciute nella storia della medicina. Nonostante il passaggio di oltre due millenni, tuttavia, relativamente poco è cambiato nell'approccio operativo. Attualmente, l'amputazione degli arti inferiori è indicata più frequentemente per compromissione degli arti inferiori dovuta a grave vasculopatia periferica, seguita in breve tempo da traumi, tumori, infezioni e deficienze congenite degli arti. Le stime della frequenza delle amputazioni degli arti inferiori vanno da 30.000 a 40.000 casi all'anno solo negli Stati Uniti.

La normale funzione dell'arto inferiore è abilitata attraverso l'interazione di più gruppi muscolari che agiscono di concerto. La deambulazione è un processo biomeccanico notevolmente orchestrato che dipende da un complesso ciclo di feedback che coinvolge il sistema nervoso centrale e periferico e il sistema muscolo-scheletrico. Nel loro stato nativo, i muscoli degli arti inferiori esistono in un ambiente equilibrato agonista/antagonista in cui l'attivazione volontaria di un muscolo porta non solo alla sua contrattura, ma anche all'allungamento passivo del suo opposto. I cambiamenti nella tensione muscolare manifestati attraverso questi cambiamenti portano alla stimolazione di recettori specializzati all'interno delle fibre muscolari che trasmettono informazioni sulla posizione articolare alla corteccia cerebrale. Tale feedback, in combinazione con le informazioni sensoriali cutanee dai meccanocettori della pelle, ci fornisce un senso di propriocezione degli arti che alla fine consente un controllo degli arti ad alta fedeltà, anche in assenza di feedback visivo.

Tuttavia, l'approccio operativo standard all'amputazione degli arti inferiori a livello sia sotto il ginocchio (BKA) che sopra il ginocchio (AKA) cancella molte delle relazioni dinamiche caratteristiche dell'arto inferiore illeso. L'esposizione iniziale si ottiene attraverso un'incisione a gradino (BKA) oa bocca di pesce (AKA), seguita da una progressiva transezione di muscoli, vasi, nervi e ossa a livello dell'incisione. I tessuti distali al sito di transezione strutturale vengono scartati, indipendentemente dal fatto che possano esserci o meno segmenti vitali, e i muscoli residui prossimali vengono stratificati sopra l'osso distale sezionato per fornire isolamento a questa superficie ossea esposta. La pelle circostante viene quindi fatta avanzare sull'infrastruttura ossea/muscolare per ottenere la chiusura definitiva. L'approssimazione rudimentale dei tessuti nell'arto distale in questi approcci si traduce in una massa cicatriziale disorganizzata in cui vengono distrutte le normali relazioni muscolari dinamiche. Il disaccoppiamento degli accoppiamenti muscolari agonisti/antagonisti nativi si traduce in una contrazione isometrica dei gruppi muscolari residui all'attivazione volontaria, producendo un feedback neurale incompleto e sbilanciato al cervello che si traduce in una percezione aberrante della posizione dell'arto residuo. Tale feedback disturbato non solo si traduce in una compromissione della funzione ambulatoriale con le protesi, ma si manifesta anche come percezione sensoriale patologica dell'estremità sotto forma di arto fantasma e sintomatologia del dolore fantasma.

Ad oggi, operatori sanitari e pazienti hanno tollerato i limiti di questi approcci a causa dell'obiettivo abbastanza semplicistico dell'amputazione degli arti inferiori: fornire una superficie stabile e imbottita per il montaggio della protesi. Storicamente, le protesi degli arti inferiori hanno offerto agli amputati l'opportunità di recuperare almeno una certa misura della funzione deambulatoria. Le protesi standard degli arti inferiori attualmente consentono a chi le indossa di camminare in modo rudimentale, oltre a correre occasionalmente. Tuttavia, tali dispositivi generalmente non sono stati in grado di ricapitolare la complessa biomeccanica dell'arto inferiore umano a causa dei limiti di movimento e della mancanza di controllo del feedback. Queste limitazioni hanno portato a una cinematica sostanzialmente alterata negli amputati degli arti inferiori che sono associati a squilibri nei profili di dispendio energetico che peggiorano con la lateralità e il livello ascendente.

Tuttavia, sta sorgendo un'era in cui le capacità delle moderne protesi si stanno notevolmente ampliando. I progressi tecnologici, tra cui elettronica sempre più miniaturizzata, comunicazioni wireless e sensori di posizione sempre più raffinati, hanno consentito agli sviluppatori di protesi di creare arti bionici di nuova generazione con gradi di libertà notevolmente migliorati rispetto ai modelli precedenti. È stato dimostrato che tali protesi migliorano notevolmente il dispendio energetico degli amputati che le utilizzano in modo appropriato. Sono attualmente in fase di sviluppo protesi ancora più avanzate che incorporano la capacità di fornire un controllo intrinseco attivo degli arti per facilitare azioni motorie complesse come la danza e l'equilibrio su una gamba. Inoltre, sono attualmente in fase di sviluppo prototipi di protesi che hanno il potenziale per offrire un feedback sensoriale - sia tattile che posizionale - in un modo mai visto prima. Tali protesi, sebbene non ancora disponibili in commercio, sono attualmente utilizzate in contesti sperimentali.

Tuttavia, questi progressi tecnologici nella sfera dello sviluppo delle protesi non sono stati abbinati ai progressi chirurgici per quanto riguarda la gestione dell'arto residuo. Le tecniche classiche per l'amputazione degli arti inferiori non forniscono interfacce innervate che possono fungere da relè per il controllo di protesi complesse; senza tali attuatori biologici nel moncone per fornire canali per lo scambio di informazioni, le protesi di nuova generazione sono di scarsa utilità. Detto in altro modo, le protesi di nuova generazione attualmente incorporano driver e sensori in grado di fornire funzionalità molto più avanzate di quanto mai visto prima, ma gli approcci standard all'amputazione degli arti non forniscono un modo per collegare efficacemente queste protesi ai beneficiari previsti. È ora necessaria un'evoluzione nel modo in cui vengono eseguite le amputazioni degli arti inferiori, che fornisca un'interfaccia biologica che consenta agli amputati degli arti inferiori di sfruttare le capacità potenziate offerte dalle notevoli protesi attualmente in fase di sviluppo.

Precedenti studi preclinici o clinici

Il riconoscimento della crescente necessità di interfacce neurali efficaci per gli arti protesici è stato evidenziato da un numero crescente di sforzi in questo ambito negli ultimi dieci anni. Gli sforzi iniziali per fornire un controllo ad alta risoluzione delle protesi distali si sono concentrati principalmente sulle interfacce cerebrali dirette e indirette, rispettivamente attraverso il posizionamento di sensori elettroencefalografici del cuoio capelluto o elettrodi parenchimali impiantabili. Tuttavia, tali sforzi sono stati afflitti da scarsa risoluzione, incoerenze nell'acquisizione del segnale e reazioni progressive da corpo estraneo che portano al degrado dell'impulso nel tempo.

Man mano che i limiti delle interfacce cerebrali sono diventati più evidenti, l'attenzione si è spostata sulle interfacce nervose periferiche dirette, inclusi setacci e polsini interposti progettati per trasdurre i segnali elettrici direttamente dai singoli fasci nervosi alle protesi distali. Tali monitor, tuttavia, hanno mostrato scarse promesse cliniche a causa della progressiva compressione dei nervi secondaria alla cicatrizzazione, oltre a significative interferenze neurologiche e interferenze nei modelli biologici.

Pertanto, gli sforzi più promettenti per quanto riguarda lo sviluppo dell'interfaccia del nervo periferico sono ora all'interno del regno dei sistemi biologici. I due modelli principali in questo ambito sono i seguenti:

• Reinnervazione muscolare mirata (TMR): TMR è una tecnica in base alla quale una serie di trasferimenti nervosi viene utilizzata per reinnervare specifici muscoli bersaglio per creare ulteriori siti di controllo protesico dopo l'amputazione dell'arto prossimale. Questi trasferimenti nervosi offrono un controllo intuitivo delle protesi distali perché i muscoli reinnervati sono controllati dagli stessi nervi che un tempo innervavano l'arto amputato. I segnali creati dai nervi residui vengono amplificati dai muscoli riceventi, che vengono catturati da elettrodi di superficie e trasdotti alla protesi distale. Le procedure TMR sono state eseguite su più di 40 pazienti fino ad oggi. I limiti di questa tecnica, tuttavia, includono il numero finito di siti di segnali elettromiografici disponibili a causa di vincoli anatomici e problemi con la fedeltà del segnale a lungo termine.
• Interfacce nervose periferiche rigenerative (RPNI): RPNI offre una versione alternativa di un'interfaccia biologica innervata. Un RPNI è un costrutto chirurgico che consiste in un segmento di muscolo non vascolarizzato che è accoppiato a un motore distale o a una terminazione nervosa sensoriale. A differenza della TMR, il muscolo RPNI non viene reclutato da un muscolo prossimale altrimenti normalmente innervato; invece, è costruito come un innesto libero da tessuto donatore di origine ortotopica. Il segmento muscolare viene gradualmente reinnervato dalla terminazione nervosa reindirizzata, che quindi promuove l'attivazione volitiva del segmento muscolare quando innescata dal sistema nervoso centrale. Come nella TMR, il controllo intuitivo si verifica perché i muscoli reinnervati sono controllati dagli stessi nervi che un tempo innervavano l'arto amputato. A differenza della TMR, tuttavia, non ci sono limitazioni sui siti anatomici e non sembrano esserci problemi con la fedeltà del segnale a lungo termine.

Mentre sia TMR che RPNI si sono dimostrati promettenti nell'offrire una migliore funzionalità ai pazienti che hanno già subito l'amputazione, nessuna delle due tecniche è stata incorporata in una riprogettazione fondamentale del modo in cui le amputazioni vengono eseguite in primo luogo; in tutti i casi di implementazione clinica di TMR o RPNI riportati fino ad oggi in letteratura, queste tecniche sono state impiegate per ottimizzare ulteriormente la funzionalità dei pazienti che hanno già sperimentato la perdita dell'arto.

Razionale e potenziali benefici

Questo protocollo clinico propone un'iterazione del modello RPNI, con l'intento di incorporare questi costrutti chirurgici nella progettazione delle amputazioni degli arti inferiori al momento del sacrificio dell'arto. Dato il successo di questa tecnica fino ad oggi, i ricercatori ritengono che l'incorporazione di segmenti muscolari innervati nel design dell'arto residuo abbia il potenziale per fornire agli amputati degli arti inferiori un'interfaccia biologica per un controllo motorio protesico senza precedenti che non sia solo ad alta risoluzione ma anche altamente intuitivo e in grado di ripristinare la propriocezione degli arti. Inoltre, si prevede che consentire agli amputati di avere un maggiore controllo delle protesi avanzate possa offrire il potenziale per normalizzare la cinematica dell'andatura, correggendo così le alterazioni nel dispendio energetico che sono state precedentemente riportate. Tali misure mantengono la promessa di ottimizzare la salute funzionale e generale degli amputati degli arti inferiori, riducendo così la morbilità attualmente associata allo stato di amputazione.

Obiettivi specifici

L'ipotesi di questo protocollo di ricerca è che saremo in grado di ridisegnare il modo in cui vengono eseguite le amputazioni degli arti inferiori in modo da includere attuatori biologici che consentiranno il successo dell'impiego di protesi degli arti inferiori di nuova generazione. Gli obiettivi specifici del progetto sono i seguenti:

1. Definire un approccio standardizzato all'esecuzione di una nuova procedura operativa per entrambe le amputazioni sotto il ginocchio (BKA) e sopra il ginocchio (AKA)
2. Misurare il grado di attivazione motoria volontaria e di escursione ottenibile nei costrutti dell'arto residuo e determinare la configurazione e il design ottimali di tali costrutti
3. Descrivere l'entità del feedback propriocettivo e di altro tipo ottenibile attraverso l'impiego di queste tecniche chirurgiche modificate
4. Convalidare la superiorità funzionale e somatosensoriale della tecnica di amputazione proposta rispetto agli approcci standard a BKA e AKA
5. Sviluppare una strategia riabilitativa postoperatoria acuta modificata adatta a questo nuovo approccio chirurgico