Estimulación epidural de la médula espinal en un humano parapléjico

Resumen antecedente al artículo del 19 de mayo en The Lancet

Más de 1.275 millones son lesiones medulares, y muchos de ellas incluyen una parálisis completa en las extremidades inferiores. Sumado a la pérdida total de control motriz, este tipo de parálisis también se caracteriza por problemas o pérdida del control de la vejiga, el esfínter y la respuesta sexual.

La estimulación epidural, en el contexto de la parálisis de las extremidades inferiores, es la aplicación de una corriente eléctrica continua, variando la frecuencia y la identidad, en lugares específicos de la médula espinal lumbosacra correspondiente a densos grupos neurales que controlan en gran parte el movimiento de las caderas, rodillas, los tobillos y dedos del pie.

Experimentos con animales
En una serie de experimentos con animales a partir de los '80, los científicos biólogos de UCLA los Dres. V. Reggie Edgerton, Yury Gerasimenko y sus colegas demostraron concluyentemente que, aun cuando la médula espinal se encuentra completamente desconectada del cerebro, es posible inducir movimientos de dar pasos en las piernas de gatos vivientes. Pero las ratas no pueden dar pasos sin la estimulación eléctrica de ciertas regiones de la parte inferior de la médula espinal. Más experimentos comprobaron que los animales se podían parar, equilibrar y aguantar el peso.

En los experimentos más recientes con animales, publicados en Nature Neuroscience en 2009, el equipo de Dr. Edgerton demostró que mientras se estimulan de manera epidural, las redes neurales de la médula espinal pueden iniciar y mantener el aguante de peso y dar pasos relativamente coordinados sin participación cortical. Una de las revelaciones más novedosas en una serie de estudios por este equipo fue que las redes neurales de la médula espinal que pueden generar pasos se pueden controlar o dirigir a través de la información sensorial de las piernas. Este control sensorial les permitió a las ratas aguantar el peso, equilibrarse, dar pasos a distintas velocidades y hasta en distintas direcciones -- pero sólo tras ser provocado con la estimulación de la médula espinal en varias formas y en varios lugares específicos.

Desde hace ocho años, el Dr. Joel Burdick del Instituto de Tecnología de California, trabaja junto con el laboratorio de Edgerton para estudiar cómo enlazar la farmacología con la terapia física guiada robóticamente para una mejor recuperación locomotriz en modelos animales de lesiones medulares. Expandiéndose sobre estos estudios y el trabajo previo de Edgerton y Gerasimenko, los Dres. Burdick y Yu-Chong Tai presentaron el concepto de estimulación epidural espinal de alta densidad, la cual denota más claramente los campos espinales estimulantes con el uso de un gran número de electrodos estimulantes.

La estimulación epidural eléctrica fue una de las tres modalidades empleadas en esta avanzada investigación animal. Simultáneamente con pautas secuenciales de estimulación eléctrica, las patas de los animales se manipularon con precisión sobre una sofisticada cinta rodante para roedores, en una fehaciente reproducción en tiempo real del modo de andar de una rata saludable a la vez que se estimulaba eléctricamente el sistema de circuitos espinal. Se descubrió que este "Entrenamiento Locomotriz" mejoraba el desempeño al sacar provecho de la excitabilidad de las redes neurales. Se alcanzaron más logros en el desempeño con el uso de ciertos fármacos serotonérgicos.

2009 – 2010: La primera prueba humana
Otra prominente neurocientífica, la Dra. Susan Harkema de la Universidad de Louisville, supo ser una estudiante de posgrado en el laboratorio de UCLA del Dr. Edgerton. La Dra. Harkema siguió su carrera y se especializó en el estudio y el tratamiento de lesiones medulares humanas con entrenamiento locomotriz. También es directora del Centro de Investigaciones de Locomoción Humana en el Centro Frazier de Rehabilitación en Louisville.

En una sesión humana de entrenamiento locomotriz, el cuerpo de un paciente paralizado se suspende con un sostén por sobre una cinta rodante (una versión mucho más grande y más sofisticada del aparato original para roedores) mientras varios terapistas con entrenamiento especial repetidamente ayudan a manipular las piernas en un movimiento repetitivo de caminata.

El entrenamiento locomotriz se lleva a cabo con éxito hoy día en el ambiente clínico –pero sin ningún tipo de estimulación epidural– como una técnica de rehabilitación para pacientes parcialmente paralizados. Similarmente, tras algunas lesiones incompletas de la médula espinal se trata el dolor mediante un tipo de estimulación epidural. Pero mientras la combinación de estimulación epidural, entrenamiento locomotriz simultaneo y quipazine demostró beneficios en animales con lesiones medulares sin ninguna función motriz, no existía previamente ninguna prueba humana, la cual precisa la aprobación para investigación de la Administración de Alimentos y Medicamentos (Food and Drug Administration, FDA).

En el 2009, la FDA sí aprobó la solicitud de los doctores Edgerton, Harkema y colegas para un estudio humano. Se autorizaron experimentos con estimulación epidural y entrenamiento locomotriz para un total de cinco personas con lesiones medulares sin ninguna función motriz.

El primer individuo elegido para el estudio inaugural, tal como menciona The Lancet, estaba completamente paralizado en las extremidades inferiores tras un accidente vehicular de atropello y fuga en julio de 2006. Previamente un atleta con una extraordinaria condición física, sufrió una lesión motora completa a nivel C7/T1, con clasificación ASIA B en la escala de la Asociación Americana de Lesiones Medulares (American Spinal Injury Association) ya que mantenía alguna sensación en las piernas.

Previo al implante del estimulador epidural, el sujeto llevó a cabo 170 sesiones de entrenamiento locomotriz sin ninguna estimulación por un período de 26 meses –sin ningún efecto perceptible– para asegurar que el entrenamiento solo no fuese responsable de cualquier mejora subsecuente.

Descubrimientos clave
En la fase inicial del experimento de investigación, el sujeto logra alcanzar una posición de parado, aplicando el empuje muscular él mismo mientras se estimulaba la médula espinal eléctricamente. Puede pararse por su cuenta, aguantando todo el peso, por lapsos de hasta cuatro minutos (o hasta una hora con ayuda periódica al debilitarse). También desarrolló la capacidad para mover voluntariamente los dedos del pie, los tobillos, las rodillas y la cadera, con la presencia de la estimulación. Además, mejoró la regulación de temperatura y recuperó cierta función autonómica.

Límites potenciales: humano, aparatos y fármacos
"Mientras que estos resultados son realmente alentadores, necesitamos tener cautela, y queda mucho trabajo por hacer", dice el Dr. Edgerton.

Por empezar, sólo se ha estudiado a un sujeto; es necesario repetir los resultados. (Se acaba de escoger al segundo de los cinco sujetos autorizados por la FDA). Además, el primer sujeto, mientras que no tenía ninguna función motriz debajo de la sección espinal C7, sí mantuvo algo de sensación debajo del nivel de la lesión. Se desconoce todavía cómo funcionarán estas intervenciones en aquellos sin ninguna sensación consciente por debajo del nivel de lesión.

Otra cuestión es la de los aparatos utilizados, los cuales, aunque de alta efectividad para el tratamiento del dolor, no fueron diseñados para este propósito. Es probable que se precise una inversión substancial en investigación y desarrollo de la industria de dispositivos médicos, el gobierno o empresarios científicos para avanzar aún más la tecnología de punta.

Por último, las combinaciones de fármacos utilizadas en las pruebas animales no son apropiadas para humanos; es probable que también se precise una gran inversión en más investigaciones farmacológicas.

No obstante, los doctores Harkema, Edgerton y sus colegas se imaginan un día en que al menos algunas personas con lesiones medulares completas puedan utilizar un sistema portátil de estimulación y logren, con la ayuda de un andador, pararse por su cuenta, mantener el equilibrio y dar algunos pasos efectivos. Tal vez aún más importante, las complicaciones secundarias asociadas a la lesión medular se vean seriamente afectadas, mejorando la calidad de vida de estas personas.

"Este es un descubrimiento significativo", dice la Dra. Harkema. "Abre un enorme potencial para mejorar el funcionamiento diario de las personas"

"Ahora tenemos prueba del concepto", añade Susan Howley, Vicepresidente Ejecutiva de Investigación en la Fundación Christopher y Dana Reeve. "Es un acontecimiento apasionante. Adónde nos llevará ahora es fundamentalmente una cuestión de tiempo y dinero".

Investigadores principales
	Susan Harkema, Ph.D. es una de las principales investigadoras en el área de rehabilitación neurológica. Es Profesora en el Departamento de Cirugía Neurológica en la Universidad de Louisville; Directora de Investigación de Rehabilitación en el Centro de Kentucky de Investigación de Lesión de Médula Espinal; Directora de Investigación en el Instituto Frazier de Rehabilitación y Directora de NeuroRecovery Network (Red de NeuroRecuperación) de la Fundación Christopher y Dana Reeve. La Dra. Harkema es uno de los autores principales del artículo en The Lancet. Su principal concentración es el estudio de la plasticidad de la médula espinal lumbosacra humana en personas con lesiones medulares practicando el entrenamiento locomotriz.
	V. Reggie Edgerton, Ph.D. es uno de los investigadores líderes en el área de plasticidad neuromuscular. Es Profesor Distinguido en los Departamentos de Biología y Fisiología Integradora y de Neurobiología y es miembro del Instituto de Investigación del Cerebro en la Universidad de California, Los Ángeles. El laboratorio del Dr. Edgerton se concentra en dos cuestiones principales de investigación. La primera es ¿cómo, y hasta qué punto, controla el sistema nervioso la expresión de proteína en fibras musculares esqueléticas? La segunda pregunta, más general, es ¿de qué manera logran los circuitos de redes neurales en la médula espinal lumbar de mamíferos, incluidos los humanos, controlar los pasos y como se ve modificada esta manera de andar al imponer crónicamente tareas motoras específicas en las extremidades tras una lesión de la médula espinal? El Dr. Edgerton trabajó con NASA para estudiar estrategias para mantener la habilidad de llevar a cabo movimientos seguros durante un prolongado tiempo sin peso, en el cual los tripulantes deben mantener un nivel crítico de control de locomoción al dejar la microgravedad y volver a 1G.
	Yury Gerasimenko, Ph.D. es Profesor y Director del Laboratorio de Fisiología del Movimiento, Instituto Pavlov de Fisiología en San Petersburgo, Rusia, e Investigador en el Departamento de Biología y Fisiología Integradora en la Universidad de California, Los Ángeles. El Dr. Gerasimenko es un pionero en el uso de la estimulación epidural de la médula espinal para la regulación de la conducta locomotora en animales espinales, al igual que sujetos con lesiones medulares. Llevó a cabo extensos estudios para desarrollar una estrategia efectiva de rehabilitación para la recuperación de la médula espinal dañada al usar una terapia combinada que incluyó estimulación epidural de la médula espinal, intervención farmacológica y entrenamiento locomotriz.
	Jonathan E. Hodes, M.D., F.A.C.S. es médico clínico, científico y neurocirujano líder en técnicas mínimamente invasiva y de microcirugía del cerebro y espina. Es también Presidente del Departamento de Cirugía Neurológica en la Universidad de Louisville. El Dr. Hodes tiene intereses particulares en investigaciones clínicas y aplicables en lesiones medulares y enfermedades neurovasculares, incluidos aneurismas cerebrales y neurocirugía mínimamente invasiva. El Dr. Hodes desempeñó el implante del estimulador epidural, una serie de 16 electrodos, en la médula espinal del sujeto del artículo de Lancet. Ejerce como Director de Investigación Clínica en el Centro de Kentucky de Investigación de Lesión de Médula Espinal.
	Joel W. Burdick, Ph.D. es experto en robótica, algoritmos de computadora y prostética neural. Es Profesor de Bioingeniería e Ingeniería Mecánica en el Instituto de California para la Tecnología, y ex Ejecutivo para Bioingeniería y Subdirector del Centro para Ingeniería de Sistemas Neuromórficos. El Dr. Burdick trabajó con el equipo de Edgerton por más de ocho años para desarrollar las tecnologías electromecánicas y los algoritmos de computadora que asisten en la recuperación locomotriz de pacientes con lesiones de la médula espinal.
	Claudia Angeli, Ph.D. dirige el Centro de Investigación de Locomoción Humana en el Instituto Frazier de Rehabilitación. Tiene posiciones adjuntas en los Departamentos de Cirugía Neurológica y de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Louisville. Suma 12 annos de experiencia estudiando el andar y la función humanos; cinco estudiando la recuperación de función tras una lesión en la médula espinal.

Financiamiento
El financiamiento del proyecto de investigación humana sobre la estimulación epidural provino de la Fundación Christopher y Dana Reeve y de los Institutos Nacionales de Salud (NIBIB).

La Fundación Reeve es una organización nacional sin fines de lucro que se dedica a encontrar la cura para lesiones de la médula espinal y mejorar la calidad de vida para aquellos con parálisis, al financiar investigaciones innovadoras a través de subvenciones, información y apoyo legal.

La Fundación lleva tres décadas entregando subvenciones a investigadores de todas partes del mundo para explorar la lesión de la médula espinal, el reparo y la regeneración.

Panel Asesor de la Investigación de Estimulación Epidural
La Fundación Reeve, con el aporte de los investigadores, estableció este panel para brindar apoyo científico y médico; evaluar el proyecto independientemente y entregar evaluaciones anuales detalladas.

• Fred H. Gage, Ph.D., The Salk Institute, La Jolla, California
• Sten Grillner, Ph.D., Karolinska Institute, Stockholm, Sweden
• Robert G. Grossman, M.D., The Methodist Hospital, Houston, Texas
• P. Hunter Peckham, Ph.D., Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio
• Arnold Snider, Vice Chairman, Christopher & Dana Reeve Foundation

Instituciones partícipes
La Fundación Christopher y Dana Reeve se dedica a encontrar la cura para lesiones de la médula espinal al financiar investigaciones innovadoras y a mejorar la calidad de vida para aquellos con parálisis a través de subvenciones, información y apoyo legal. Si desea saber más sobre la Fundación Reeve, visite: http://www.christopherreeve.org.  

UCLA es la universidad más grande de California. El Colegio de Letras y Ciencias de UCLA y las 11 escuelas profesionales de la universidad ofrecen 328 programas títulos y carreras. UCLA es un líder nacional e internacional en la amplitud y calidad de sus programas académicos, investigativos, atléticos, culturales, de cuidado de salud y educación continuada. Seis egresados y cinco de sus profesores recibieron el Premio Nobel.

La Universidad de Louisville es la universidad de investigación en la metrópolis de Kentucky, con 22,000 estudiantes yendo a clase en 11 colegios y escuelas en tres campos. Rodeada por muchos de sus socios médicos, el Centro de Ciencias de Salud de la Universidad en el corazón de la ciudad abarca más de 3,000 estudiantes en campos relacionados a la salud en las Escuelas de Odontología, Medicina, Enfermería y Salud Pública y Ciencias Informáticas, al igual que 17 centros e institutos interdisciplinarios.

El Instituto Frazier de Rehabilitación es un sistema de rehabilitación abarcador con más de 20 localidades a lo largo de Kentucky y el sur de Indiana que ofrece terapia en un ambiente de cuidado agudo para rehabilitaciones hospitalizadas o en el hogar. Los programas abarcadores de rehabilitación, los terapistas altamente entrenados, las instalaciones de avanzada y las técnicas terapéuticas innovadoras le han brindado reconocimiento nacional. De niños a ancianos, se trata una gran variedad de diagnósticos incluidos los neurológicos (lesiones de la médula espinal, lesiones cerebrales y apoplejía), amputaciones, múltiples traumas, ortopedia, artritis, cardiopulmonares, congénitos, de desarrollo, degenerativos y casos generales.

El Instituto de Tecnología de California es reconocido por su cuerpo estudiantil estrictamente seleccionado de 900 más 1,200 de posgrado, al igual que sus grandes profesores. Desde 1923, los profesores y egresados de Caltech recibieron 32 Premios Nobel y 5 Crafoord. Además de los prestigios programas de investigación en la localidad misma, Caltech opera el Laboratorio de Propulsión de Jet, el Observatorio W. M. Keck en Mauna Kea, el Palomar y el Interferómetro Onda Gravitacional. Caltech es una universidad privada en Pasadena, California.