Uma nova abordagem para amputação de membros superiores para aumentar o controle voluntário e restaurar a propriocepção

A amputação da extremidade superior está entre os procedimentos cirúrgicos mais antigos conhecidos na história da medicina, com muitos de seus princípios técnicos tendo sido elucidados pela primeira vez por Hipócrates. Apesar da passagem de mais de dois milênios, relativamente pouco mudou na abordagem cirúrgica do sacrifício do membro superior. Estima-se que 58.000 pacientes nos Estados Unidos sofram atualmente de perda de membros superiores acima do cotovelo (AEA) ou abaixo do cotovelo (BEA), e a prevalência de amputação de membros superiores deve aumentar para aproximadamente 95.000 pacientes até 2050.

A função normal do membro superior é possibilitada pela interação dinâmica de múltiplos grupos musculares atuando em conjunto. A destreza manual 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 superior existem em uma situação agonista/antagonista equilibrada na qual a ativação volitiva de um músculo leva não apenas à sua contratura, mas também ao alongamento passivo de seu oposto. Alterações na tensão muscular manifestadas por meio dessa interação de unidades agonistas e antagonistas levam à estimulação de receptores especializados dentro das fibras musculares (por exemplo, fibras do fuso muscular e órgãos tendinosos de Golgi) que transmitem informações de posição articular ao 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.

Infelizmente, a abordagem cirúrgica padrão para a amputação do membro superior, tanto no nível AEA quanto no nível BEA, oblitera muitas das relações dinâmicas características do membro superior não lesado. A exposição cirúrgica inicial é normalmente realizada através de uma incisão em padrão de boca de peixe, 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 construção osso/músculo para alcançar o fechamento definitivo. A aproximação rudimentar de tecidos discordantes no membro distal nesta abordagem 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 leva ao comprometimento da função do membro com próteses, mas também se manifesta como percepção sensorial patológica da extremidade na forma de membro fantasma e sintomas de dor fantasma.

Até o momento, as limitações dessas abordagens foram toleradas devido ao objetivo bastante simplista da amputação do membro superior: fornecer uma superfície estável e acolchoada para a montagem de uma prótese. Historicamente, as próteses de membro superior têm proporcionado aos amputados a oportunidade de recuperar pelo menos alguma medida da função do membro superior. No entanto, esses dispositivos geralmente não foram capazes de recapitular a complexa biomecânica do membro superior humano devido a amplitudes limitadas de movimento e falta de controle de feedback. Essas limitações resultaram em taxas relatadas de rejeição de próteses de membros superiores variando de 23% a 45%, incluindo dispositivos movidos pelo corpo e mioelétricos.

No entanto, as capacidades das próteses modernas estão se expandindo notavelmente. 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 bastante aprimorados em relação aos modelos anteriores. Próteses ainda mais avançadas estão sendo desenvolvidas atualmente, com o potencial de oferecer feedback sensorial - tanto tátil quanto posicional - de uma maneira nunca antes vista. Tais dispositivos protéticos, embora ainda não disponíveis comercialmente, estão sendo estudados em ambientes experimentais. Por exemplo, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) emitiu recentemente um pedido de propostas sob o Programa Hand, Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX) incorporando uma prótese de membro superior incluindo seis graus de liberdade no punho, polegar e todos os dedos, 10 sensores de pressão capazes de fornecer feedback sensorial e sensores de ângulo e velocidade da articulação capazes de fornecer dados de posição da articulação.

Apesar desses avanços tecnológicos no desenvolvimento de próteses, os métodos cirúrgicos relacionados ao manejo do membro residual não acompanharam essas capacidades aprimoradas de próteses. As técnicas clássicas de amputação de membros superiores não fornecem interfaces inervadas que possam servir como retransmissores para controle protético complexo; sem tais atuadores biológicos no membro residual para fornecer condutos aferentes e eferentes para troca de informações, as próteses de próxima geração são de pouca utilidade. Dito de outra forma, os dispositivos protéticos 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 de vincular efetivamente essas próteses aos seus beneficiários pretendidos. Uma evolução na maneira como as amputações de membros superiores são realizadas - uma que forneça uma interface biológica que permita aos amputados de membros superiores aproveitar as capacidades aprimoradas oferecidas pelas próteses notáveis ​​atualmente em desenvolvimento - é agora necessária.

O reconhecimento da crescente necessidade de interfaces neurais eficazes para membros protéticos pode ser visto no crescente número 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 indiretas e diretas, seja por meio da colocação de sensores eletroencefalográficos no couro cabeludo ou eletrodos parenquimatosos implantáveis, respectivamente. No entanto, tais esforços têm sido prejudicados por baixa resolução, inconsistências na aquisição de sinal e, no caso de dispositivos implantáveis, 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 os loci de controle periférico. Esforços nesse sentido incluíram 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 à interferência neurológica significativa e à interferência em modelos biológicos.

Os esforços mais promissores em relação ao desenvolvimento da interface nervosa periférica estão agora dentro do domínio dos sistemas biológicos. Esses modelos consistem em configurações nas quais os tecidos nativos são inervados com terminações nervosas distais para criar atuadores biológicos para controle e feedback da prótese distal. Os dois principais modelos nesta esfera são os seguintes:

• Reinervação muscular direcionada (TMR): pioneira de Dumanian e Kuiken et al, a TMR é uma técnica pela qual uma série de transferências nervosas é usada para reinervar músculos-alvo específicos para criar locais de controle de prótese adicionais após a amputação distal do membro.
• Interfaces nervosas periféricas regenerativas (RPNI): defendidas por Cederna et al, as RPNI oferecem 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.

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 haviam sofrido perda do membro.

O protocolo clínico propõe uma reinvenção da forma como são realizadas as amputações de membros superiores, partindo de vários dos princípios estabelecidos no trabalho já realizado no âmbito dos TMR e RPNIs. Conforme elaborado abaixo, a principal inovação é a utilização de tecidos distais dos membros que normalmente seriam sacrificados no curso de amputações padrão dos membros inferiores para fornecer o substrato para pares inervados nativamente de músculos agonistas/antagonistas capazes não apenas de ativação motora intuitiva e volitiva, mas também também feedback proprioceptivo. Conceitualmente, essa ideia consiste na ligação física de músculos biologicamente opostos (por exemplo, o bíceps e o tríceps), de modo que, quando a contração neurologicamente desencadeada de um músculo é efetuada, o alongamento simultâneo de seu parceiro também é alcançado, resultando em movimento observável da díade e estimulação das vias proprioceptivas padrão. Os investigadores chamaram esta construção de interface mioneural agonista-antagonista (AMI).

A maneira pela qual esse conceito dinâmico de músculo agonista/antagonista pode ser operacionalizado clinicamente depende da presença ou não de músculos nativos intactos, inervados e vascularizados no momento da intervenção cirúrgica. Nos últimos cinco anos, o grupo de pesquisa desenvolveu modelos experimentais para uma variedade de cenários clínicos por meio de uma série de investigações pré-clínicas em populações murinas e caprinas.

Se o músculo nativo saudável estiver disponível como substrato reconstrutivo, a coaptação das extremidades distais de pares de agonistas/antagonistas desinserido pode ser incorporada ao desenho do coto; quando acoplado a um canal sinovial nativo como uma interface deslizante, um sistema semelhante a uma polia pode ser estabelecido para fornecer uma construção muscular dinâmica. A construção de AMIs em um modelo de rato demonstrou preservação do volume muscular construído, viabilidade ao longo do tempo e produção de sinais aferentes graduados em resposta a alongamentos de rampa e retenção de maneira semelhante à arquitetura muscular nativa. Além disso, o desempenho de uma amputação no nível transtibial com incorporação da construção AMI em um modelo de cabra demonstrou movimento acoplado claro do par agonista-antagonista na presença de comandos neurais naturais e estimulação muscular artificial.

Com base nesses estudos de prova de conceito em animais, os investigadores levantam a hipótese de que o AMI oferece o potencial de fornecer um relé biológico para controle volitivo superior a outras estratégias de interface neural, com o benefício adicional de ser capaz de restaurar a propriocepção dos membros. Quando acoplado a uma prótese de próxima geração apropriadamente adaptada, o AMI pode fornecer o primeiro mecanismo biológico para alcançar a verdadeira interatividade neural de circuito fechado com um membro mecânico.

Os investigadores aqui propõem uma avaliação prospectiva e controlada de três anos das vantagens funcionais e somatossensoriais do modelo de amputação modificado em um cenário de extremidade superior. Os investigadores acreditam que este modelo tem o potencial de fornecer aos amputados de membros superiores uma interface biológica que oferece não apenas controle motor de próteses de alta resolução sem precedentes, mas também é altamente intuitivo e capaz de restaurar a propriocepção do membro. Se manifestas, essas capacidades aumentadas podem resultar em melhor funcionalidade e resultados gerais de saúde, incluindo retorno mais robusto ao status de trabalho e tensão psicológica diminuída.