Configuração Somatotópica dos Tecidos Residuais Distais dos Membros em Amputações de Extremidades Inferiores

Contexto histórico

A amputação de membros inferiores está entre os procedimentos cirúrgicos mais antigos conhecidos na história da medicina. Apesar da passagem de mais de dois milênios, no entanto, relativamente pouco mudou na abordagem operatória. Atualmente, a amputação de membros inferiores é indicada com mais frequência para comprometimento de membros inferiores devido a doença vascular periférica grave, seguida em pouco tempo por trauma, tumores, infecções e deficiências congênitas de membros. As estimativas de frequência de amputações de membros inferiores variam de 30.000 a 40.000 casos por ano apenas nos Estados Unidos.

A função normal do membro inferior é possibilitada pela interação de múltiplos grupos musculares atuando em conjunto. A deambulação é um processo biomecânico notavelmente orquestrado que depende de um ciclo de feedback complexo envolvendo os sistemas nervoso central e periférico e o sistema músculo-esquelético. Em seu estado nativo, os músculos da extremidade inferior existem em um ambiente agonista/antagonista equilibrado no qual a ativação volitiva de um músculo leva não apenas à sua contratura, mas também ao alongamento passivo do seu oposto. Mudanças na tensão muscular manifestadas por meio dessas mudanças levam à estimulação de receptores especializados dentro das fibras musculares que transmitem informações de posição articular para o córtex cerebral. Esse feedback, em conjunto com informações sensoriais cutâneas dos mecanorreceptores da pele, nos fornece uma sensação de propriocepção do membro que, em última análise, permite o controle do membro de alta fidelidade, mesmo na ausência de feedback visual.

No entanto, a abordagem cirúrgica padrão para amputação de membros inferiores no nível abaixo do joelho (BKA) ou acima do joelho (AKA) oblitera muitas das relações dinâmicas características do membro inferior não lesionado. A exposição inicial é realizada por meio de uma incisão padrão em degrau (BKA) ou boca de peixe (AKA), seguida de transecção progressiva de músculos, vasos, nervos e ossos no nível da incisão. Os tecidos distais ao local da transecção estrutural são descartados, independentemente de haver ou não segmentos viáveis, e os músculos residuais proximais são colocados sobre o osso transversalmente distal para fornecer isolamento a essa superfície óssea exposta. A pele circundante é então avançada sobre a infraestrutura óssea/muscular para alcançar o fechamento definitivo. A aproximação rudimentar dos tecidos no membro distal nessas abordagens resulta em uma massa cicatricial desorganizada na qual as relações musculares dinâmicas normais são destruídas. O desacoplamento dos pares de músculos agonistas/antagonistas nativos resulta em contração isométrica de grupos musculares residuais após ativação volitiva, produzindo feedback neural incompleto e desequilibrado para o cérebro que resulta em percepção aberrante da posição do membro residual. Esse feedback perturbado não apenas resulta em função ambulatorial prejudicada com próteses, mas também se manifesta como percepção sensorial patológica da extremidade na forma de membro fantasma e sintomatologia de dor fantasma.

Até o momento, os provedores e pacientes toleraram as limitações dessas abordagens devido ao objetivo bastante simplista da amputação de membro inferior: fornecer uma superfície acolchoada e estável para a montagem da prótese. Historicamente, as próteses de membros inferiores têm proporcionado aos amputados a oportunidade de recuperar pelo menos alguma medida da função ambulatória. Atualmente, as próteses padrão de membros inferiores permitem que o usuário caminhe de maneira rudimentar, bem como ocasionalmente corra. No entanto, esses dispositivos geralmente não foram capazes de recapitular a complexa biomecânica do membro inferior humano devido a amplitudes limitadas de movimento e falta de controle de feedback. Essas limitações resultaram em cinemática substancialmente alterada em amputados de membros inferiores que estão associadas a distúrbios nos perfis de gasto de energia que pioram com lateralidade e nível ascendente.

No entanto, está surgindo uma era em que as capacidades das próteses modernas estão se ampliando notavelmente. Os avanços tecnológicos, incluindo eletrônicos cada vez mais miniaturizados, comunicações sem fio e sensores posicionais cada vez mais refinados, permitiram que os desenvolvedores de próteses criassem membros biônicos de última geração com graus de liberdade acentuadamente aprimorados em relação aos modelos anteriores. Essas próteses demonstraram melhorar acentuadamente o gasto de energia de amputados que as utilizam adequadamente. Próteses ainda mais avançadas estão atualmente em desenvolvimento, incorporando a capacidade de fornecer controle intrínseco ativo dos membros para facilitar ações motoras complexas, como dançar e equilibrar-se em uma perna. Além disso, estão sendo desenvolvidos protótipos de próteses que têm o potencial de oferecer feedback sensorial - tátil e posicional - de uma maneira nunca antes vista. Tais próteses, embora ainda não disponíveis comercialmente, estão sendo utilizadas atualmente em configurações experimentais.

No entanto, esses avanços tecnológicos na esfera do desenvolvimento de próteses não foram acompanhados pelos avanços cirúrgicos no que diz respeito ao manejo do membro residual. As técnicas clássicas de amputação de membros inferiores não fornecem interfaces inervadas que possam servir como relés para o controle de próteses complexas; sem tais atuadores biológicos no membro residual para fornecer canais para troca de informações, as próteses de próxima geração são de pouca utilidade. Dito de outra forma, as próteses de próxima geração atualmente incorporam drivers e sensores capazes de fornecer uma funcionalidade muito mais aprimorada do que nunca, mas as abordagens padrão para amputação de membros não fornecem uma maneira eficaz de vincular essas próteses aos seus beneficiários pretendidos. Agora é necessária uma evolução na maneira como as amputações de membros inferiores são realizadas - uma que forneça uma interface biológica que permita aos amputados de membros inferiores aproveitar as capacidades aprimoradas oferecidas pelas próteses notáveis ​​atualmente em desenvolvimento.

Estudos pré-clínicos ou clínicos anteriores

O reconhecimento da necessidade crescente de interfaces neurais eficazes para membros protéticos foi evidenciado por um número crescente de esforços nessa esfera na última década. Os esforços iniciais para fornecer controle de alta resolução de próteses distais foram focados principalmente em interfaces cerebrais diretas e indiretas, seja por meio da colocação de sensores eletroencefalográficos no couro cabeludo ou eletrodos parenquimatosos implantáveis, respectivamente. No entanto, tais esforços foram prejudicados por baixa resolução, inconsistências na aquisição de sinal e reações progressivas de corpos estranhos levando à degradação do impulso ao longo do tempo.

À medida que as limitações das interfaces cerebrais se tornaram mais evidentes, o foco mudou para interfaces nervosas periféricas diretas, incluindo peneiras interpostas e manguitos projetados para transduzir sinais elétricos diretamente de fascículos nervosos individuais para próteses distais. Esses monitores, no entanto, mostraram pouca promessa clínica devido à compressão progressiva do nervo secundária à cicatrização, bem como interferência neurológica significativa e interferência em modelos biológicos.

Como tal, os esforços mais promissores em relação ao desenvolvimento da interface do nervo periférico estão agora dentro do domínio dos sistemas biológicos. Os dois principais modelos nesta esfera são os seguintes:

• Reinervação muscular direcionada (TMR): TMR é uma técnica pela qual uma série de transferências nervosas é utilizada para reinervar músculos-alvo específicos para criar locais de controle protéticos adicionais após a amputação proximal do membro. Essas transferências nervosas oferecem controle intuitivo de próteses distais porque os músculos reinervados são controlados pelos mesmos nervos que uma vez inervaram o membro amputado. Os sinais gerados pelos nervos residuais são amplificados pelos músculos receptores, que são captados por eletrodos de superfície e transduzidos para a prótese distal. Os procedimentos de TMR foram realizados em mais de 40 pacientes até o momento. As limitações desta técnica, no entanto, incluem o número finito de locais de sinal eletromiográfico disponíveis devido a restrições anatômicas e problemas com a fidelidade do sinal a longo prazo.
• Interfaces nervosas periféricas regenerativas (RPNI): RPNI oferece uma versão alternativa de uma interface biológica inervada. Um RPNI é uma construção cirúrgica que consiste em um segmento não vascularizado de músculo que é coaptado a uma terminação nervosa sensitiva ou motora distal. Ao contrário do TMR, o músculo RPNI não é recrutado de um músculo proximal normalmente inervado; em vez disso, é construído como um enxerto livre de tecido doador de origem ortotópica. O segmento muscular é gradualmente reinervado pela terminação nervosa redirecionada, que então promove a ativação volitiva do segmento muscular quando desencadeada pelo sistema nervoso central. Como na TMR, o controle intuitivo ocorre porque os músculos reinervados são controlados pelos mesmos nervos que uma vez inervaram o membro amputado. Ao contrário do TMR, no entanto, não há limitações nos locais anatômicos e não parece haver problemas com a fidelidade do sinal a longo prazo.

Embora tanto o TMR quanto os RPNIs tenham se mostrado promissores em oferecer funcionalidade aprimorada para pacientes que já sofreram amputação, nenhuma das técnicas foi incorporada a um redesenho fundamental da maneira como as amputações são realizadas em primeiro lugar; em todos os casos de implementação clínica de TMR ou RPNIs relatados até o momento na literatura, essas técnicas foram empregadas para otimizar ainda mais a funcionalidade de pacientes que já sofreram perda do membro.

Justificativa e Benefícios Potenciais

Este protocolo clínico propõe uma iteração do modelo RPNI, com a intenção de incorporar essas construções cirúrgicas no projeto de amputações de membros inferiores no momento do sacrifício do membro. Dado o sucesso dessa técnica até o momento, os pesquisadores acreditam que a incorporação de segmentos musculares inervados no desenho do membro residual tem o potencial de fornecer aos amputados de membros inferiores uma interface biológica para controle motor protético sem precedentes, que não é apenas de alta resolução, mas também altamente intuitiva e intuitiva. capaz de restaurar a propriocepção dos membros. Além disso, prevê-se que permitir que amputados tenham maior controle de próteses avançadas pode oferecer o potencial de normalizar a cinemática da marcha, corrigindo assim as alterações no gasto de energia que foram relatadas anteriormente. Tais medidas prometem otimizar a saúde funcional e geral de amputados de membros inferiores, reduzindo assim a morbidade atualmente associada ao estado de amputado.

Objetivos Específicos

A hipótese deste protocolo de pesquisa é que seremos capazes de redesenhar a maneira como as amputações de membros inferiores são realizadas, de modo a incluir atuadores biológicos que permitirão o emprego bem-sucedido de próteses de membros inferiores de última geração. Os objetivos específicos do projeto são os seguintes:

1. Definir uma abordagem padronizada para a realização de um novo procedimento cirúrgico para amputações abaixo do joelho (BKA) e acima do joelho (AKA).
2. Medir o grau de ativação motora volitiva e a excursão alcançável nas construções do membro residual e determinar a configuração e o design ideais de tais construções
3. Descrever a extensão do feedback proprioceptivo e outro feedback sensorial alcançável por meio do emprego dessas técnicas cirúrgicas modificadas
4. Validar a superioridade funcional e somatossensorial da técnica de amputação proposta em relação às abordagens padrão para BKA e AKA
5. Desenvolver uma estratégia modificada de reabilitação pós-operatória aguda adequada a esta nova abordagem cirúrgica