Un nuovo approccio all'amputazione degli arti superiori per aumentare il controllo volitivo e ripristinare la propriocezione

L'amputazione degli arti superiori è tra le più antiche procedure chirurgiche conosciute nella storia della medicina, con molti dei suoi principi tecnici che sono stati chiariti per la prima volta da Ippocrate. Nonostante il passaggio di oltre due millenni, relativamente poco è cambiato nell'approccio operativo al sacrificio dell'arto superiore. Si stima che circa 58.000 pazienti negli Stati Uniti soffrano attualmente di perdita di arti degli arti superiori a livello sopra il gomito (AEA) o sotto il gomito (BEA) e si prevede che la prevalenza dell'amputazione degli arti superiori salirà a circa 95.000 pazienti entro il 2050.

La normale funzione dell'arto superiore è abilitata attraverso l'interazione dinamica di più gruppi muscolari che agiscono di concerto. La destrezza manuale è un processo biomeccanico straordinariamente 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 dell'arto superiore esistono in una situazione equilibrata di agonista/antagonista in cui l'attivazione volontaria di un muscolo porta non solo alla sua contrattura, ma anche allo stiramento passivo del suo opposto. I cambiamenti nella tensione muscolare manifestati attraverso questa interazione di unità agonista e antagonista portano alla stimolazione di recettori specializzati all'interno delle fibre muscolari (ad esempio, fibre del fuso muscolare e organi tendinei del Golgi) 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.

Sfortunatamente, l'approccio operativo standard all'amputazione dell'arto superiore a livello AEA o BEA cancella molte delle relazioni dinamiche caratteristiche dell'arto superiore illeso. L'esposizione chirurgica iniziale si ottiene tipicamente attraverso un'incisione a bocca di pesce, 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 sopra la struttura ossea/muscolare per ottenere la chiusura definitiva. L'approssimazione rudimentale dei tessuti discordanti nell'arto distale in questo approccio 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 porta a una compromissione della funzione dell'arto con le protesi, ma si manifesta anche come percezione sensoriale patologica dell'estremità sotto forma di arto fantasma e sintomi di dolore fantasma.

Ad oggi, i limiti di questi approcci sono stati tollerati a causa dell'obiettivo abbastanza semplicistico dell'amputazione dell'arto superiore: fornire una superficie stabile e imbottita per il montaggio di una protesi. Storicamente, le protesi degli arti superiori hanno offerto agli amputati l'opportunità di recuperare almeno una certa misura della funzione dell'arto superiore. Tuttavia, tali dispositivi generalmente non sono stati in grado di ricapitolare la complessa biomeccanica dell'arto superiore umano a causa dei limiti di movimento e della mancanza di controllo del feedback. Queste limitazioni hanno portato a tassi di rigetto delle protesi degli arti superiori riportati che vanno dal 23% al 45%, inclusi sia i dispositivi alimentati dal corpo che quelli mioelettrici.

Tuttavia, le capacità delle protesi moderne si stanno ora espandendo notevolmente. 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. Sono attualmente in fase di sviluppo protesi ancora più avanzate che hanno il potenziale per offrire un feedback sensoriale - sia tattile che posizionale - in un modo mai visto prima. Tali dispositivi protesici, sebbene non ancora disponibili in commercio, sono attualmente oggetto di studio in contesti sperimentali. Ad esempio, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha recentemente emesso una richiesta di proposte nell'ambito del programma Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX) che incorpora una protesi dell'arto superiore comprendente sei gradi di libertà al polso, al pollice e a tutte le dita, 10 sensori di pressione in grado di fornire un feedback sensoriale e sensori di velocità e angolo articolare in grado di fornire dati sulla posizione articolare.

Nonostante questi progressi tecnologici nello sviluppo delle protesi, i metodi chirurgici relativi alla gestione dell'arto residuo non hanno tenuto il passo con queste capacità protesiche potenziate. Le tecniche classiche di amputazione dell'arto superiore non forniscono interfacce innervate che possono fungere da relè per il controllo protesico complesso; senza tali attuatori biologici nell'arto residuo per fornire condotti afferenti ed efferenti per lo scambio di informazioni, le protesi di nuova generazione sono di scarsa utilità. Detto in altro modo, i dispositivi protesici di nuova generazione attualmente incorporano driver e sensori in grado di fornire funzionalità molto più avanzate rispetto a 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 superiori, che fornisca un'interfaccia biologica che consenta agli amputati degli arti superiori di sfruttare le capacità potenziate offerte dalle straordinarie protesi attualmente in fase di sviluppo.

Il riconoscimento della crescente necessità di interfacce neurali efficaci per gli arti protesici può essere visto nel crescente numero 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 indirette e dirette, 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, nel caso di dispositivi impiantabili, 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 invece sui loci di controllo periferici. Gli sforzi in questa vena hanno incluso interfacce nervose periferiche dirette tra cui setacci e polsini interposti progettati per trasdurre 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, nonché a un significativo crosstalk neurologico e all'interferenza nei modelli biologici.

Gli sforzi più promettenti per quanto riguarda lo sviluppo dell'interfaccia del nervo periferico sono ora nell'ambito dei sistemi biologici. Questi modelli sono costituiti da configurazioni in cui i tessuti nativi sono innervati con terminazioni nervose distali per creare attuatori biologici per il controllo e il feedback della protesi distale. I due modelli principali in questo ambito sono i seguenti:

• Reinnervazione muscolare mirata (TMR): sperimentata da Dumanian e Kuiken et al, 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 della protesi dopo l'amputazione dell'arto distale.
• Interfacce nervose periferiche rigenerative (RPNI): sostenute da Cederna et al, 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.

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 di pazienti che avevano già sperimentato la perdita dell'arto.

Il protocollo clinico propone una reinvenzione del modo in cui vengono eseguite le amputazioni degli arti superiori, basandosi su molti dei principi stabiliti nel lavoro già svolto nel regno di TMR e RPNI. Come spiegato di seguito, l'innovazione fondamentale è l'utilizzo dei tessuti degli arti distali che normalmente verrebbero sacrificati nel corso delle amputazioni standard degli arti inferiori per fornire il substrato per accoppiamenti naturalmente innervati di muscoli agonisti/antagonisti capaci non solo di attivazione motoria intuitiva e volitiva ma anche feedback propriocettivo. Concettualmente, questa idea consiste nel collegamento fisico di muscoli biologicamente opposti (ad esempio, bicipiti e tricipiti) in modo tale che quando viene effettuata la contrazione neurologicamente innescata di un muscolo, si ottiene anche l'allungamento simultaneo del suo partner, con conseguente movimento osservabile della diade e stimolazione delle vie propriocettive standard. I ricercatori hanno chiamato questo costrutto interfaccia mioneurale agonista-antagonista (AMI).

Il modo in cui questo concetto dinamico di muscolo agonista/antagonista può essere operazionalizzato clinicamente dipende dalla presenza o meno di muscoli nativi intatti, innervati e vascolarizzati al momento dell'intervento chirurgico. Negli ultimi cinque anni, il gruppo di ricerca ha sviluppato modelli sperimentali per una varietà di scenari clinici attraverso una serie di indagini precliniche su popolazioni murine e caprine.

Se è disponibile un muscolo nativo sano come substrato ricostruttivo, la coaptazione delle estremità distali delle coppie agonista/antagonista disinserite può essere incorporata nel disegno del moncone; quando accoppiato con un canale sinoviale nativo come interfaccia di scorrimento, è possibile stabilire un sistema simile a una puleggia per fornire una struttura muscolare dinamica. La costruzione di AMI in un modello di ratto ha dimostrato la conservazione della massa muscolare costruttiva, la vitalità nel tempo e la produzione di segnali afferenti graduati in risposta a tratti di rampa e mantenimento in un modo simile all'architettura muscolare nativa. Inoltre, l'esecuzione di un'amputazione a livello transtibiale con l'incorporazione della costruzione AMI in un modello di capra ha dimostrato un chiaro movimento accoppiato della coppia agonista-antagonista in presenza sia di comandi neurali naturali che di stimolazione muscolare artificiale.

Sulla base di questi studi sugli animali di prova del concetto, i ricercatori ipotizzano che l'AMI offra il potenziale per fornire un relè biologico per il controllo volitivo che è superiore ad altre strategie di interfaccia neurale, con l'ulteriore vantaggio di essere in grado di ripristinare la propriocezione degli arti. Quando accoppiato con una protesi di nuova generazione opportunamente adattata, l'AMI può quindi fornire il primo meccanismo biologico per ottenere una vera interattività neurale a circuito chiuso con un arto meccanico.

Gli investigatori qui propongono una valutazione triennale, prospettica e controllata dei vantaggi funzionali e somatosensoriali del modello di amputazione modificato in uno scenario di estremità superiore. I ricercatori ritengono che questo modello abbia il potenziale per fornire agli amputati degli arti superiori un'interfaccia biologica che offre non solo un controllo motorio ad alta risoluzione senza precedenti delle protesi, ma è anche altamente intuitivo e in grado di ripristinare la propriocezione degli arti. Se manifeste, queste capacità aumentate possono comportare una migliore funzionalità e risultati di salute generale, incluso un ritorno più robusto allo stato di lavoro e una minore tensione psicologica.