Ingenieros diseñan «corazón» biónico para probar válvulas protésicas, otros dispositivos cardíacos

Ya que se espera que la población geriátrica se dispare en la próxima década, también lo harán las tasas de enfermedades cardíacas en los Estados Unidos. Se prevé que la demanda de prótesis de válvulas cardíacas y otros dispositivos cardíacos, un mercado que hoy en día está valorado en más de 5 5 mil millones de dólares, aumentará casi un 13 por ciento en los próximos seis años.

Las válvulas protésicas están diseñadas para imitar una válvula cardíaca real y saludable para ayudar a hacer circular la sangre por el cuerpo. Sin embargo, muchos de ellos tienen problemas como fugas alrededor de la válvula, y los ingenieros que trabajan para mejorar estos diseños deben probarlos repetidamente, primero en simuladores de mesa simples, luego en sujetos animales, antes de llegar a los ensayos en humanos, un proceso arduo y costoso.

Ahora, los ingenieros del MIT y de otros lugares han desarrollado un «corazón» biónico que ofrece un modelo más realista para probar válvulas artificiales y otros dispositivos cardíacos.

El dispositivo es un corazón biológico real cuyo tejido muscular resistente ha sido reemplazado por una matriz robótica suave de músculos cardíacos artificiales, que se asemeja al plástico de burbujas. La orientación de los músculos artificiales imita el patrón de las fibras musculares naturales del corazón, de tal manera que cuando los investigadores inflan remotamente las burbujas, actúan juntos para apretar y torcer el corazón interno, de manera similar a la forma en que un corazón entero real late y bombea sangre.

Con este nuevo diseño, que denominan «corazón híbrido biorobótico», los investigadores imaginan que los diseñadores e ingenieros de dispositivos podrían iterar y ajustar los diseños más rápidamente mediante pruebas en el corazón biohíbrido, reduciendo significativamente el costo del desarrollo de dispositivos cardíacos.

«Las pruebas reguladoras de dispositivos cardíacos requieren muchas pruebas de fatiga y pruebas con animales», dice Ellen Roche, profesora asistente de ingeniería mecánica en el MIT. «podría representar de manera realista lo que sucede en un corazón real, para reducir la cantidad de pruebas con animales o iterar el diseño más rápidamente.»

Roche y sus colegas han publicado hoy sus resultados en la revista Science Robotics. Sus coautores son la autora principal y estudiante graduada del MIT Clara Park, junto con Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas y Xuanhe Zhao en el MIT, junto con colaboradores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, el Real Colegio de Cirujanos de Dublín, el Hospital Infantil de Boston, la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital General de Massachusetts.

La estructura del corazón híbrido biorobótico bajo resonancia magnética. Crédito: Christopher T. Nguyen

«Mecánica del corazón»

Antes de venir al MIT, Roche trabajó brevemente en la industria biomédica, ayudando a probar dispositivos cardíacos en modelos de corazón artificiales en el laboratorio.

«En ese momento, no sentí que ninguna de estas configuraciones de mesa representara tanto la anatomía como la biomecánica fisiológica del corazón», recuerda Roche. «Había una necesidad insatisfecha en términos de pruebas de dispositivos.»

En una investigación separada como parte de su trabajo de doctorado en la Universidad de Harvard, desarrolló una funda suave, robótica e implantable, diseñada para envolver todo un corazón vivo, para ayudarlo a bombear sangre en pacientes que sufren de insuficiencia cardíaca.

En el MIT, ella y Park se preguntaron si podrían combinar las dos vías de investigación para desarrollar un corazón híbrido: un corazón que está hecho en parte de tejido cardíaco explantado y preservado químicamente y en parte de actuadores artificiales blandos que ayudan al corazón a bombear sangre. Dicho modelo, propusieron, debería ser un entorno más realista y duradero en el que probar dispositivos cardíacos, en comparación con modelos que son completamente artificiales pero no capturan la anatomía compleja del corazón, o están hechos de un corazón explantado real, que requiere condiciones altamente controladas para mantener vivo el tejido.

El equipo consideró brevemente envolver un corazón entero y explantado en una funda robótica suave, similar al trabajo anterior de Roche, pero se dio cuenta de que el tejido muscular externo del corazón, el miocardio, se endurecía rápidamente cuando se retiraba del cuerpo. Cualquier contracción robótica por la manga no se traduciría lo suficiente al corazón interior.

En su lugar, el equipo buscó formas de diseñar una matriz robótica suave para reemplazar el tejido muscular natural del corazón, tanto en el material como en la función. Decidieron probar su idea primero en el ventrículo izquierdo del corazón, una de las cuatro cavidades del corazón, que bombea sangre al resto del cuerpo, mientras que el ventrículo derecho utiliza menos fuerza para bombear sangre a los pulmones.

«El ventrículo izquierdo es el más difícil de recrear debido a sus presiones de funcionamiento más altas, y nos gusta comenzar con los desafíos difíciles», dice Roche.

El corazón, desplegado

El corazón normalmente bombea sangre apretando y torciendo, una combinación compleja de movimientos que es el resultado de la alineación de las fibras musculares a lo largo del miocardio externo que cubre cada ventrículo del corazón. El equipo planeó fabricar una matriz de músculos artificiales que se asemejaban a burbujas inflables, alineadas en las orientaciones del músculo cardíaco natural. Pero copiar estos patrones estudiando la geometría tridimensional de un ventrículo resultó extremadamente difícil.

Finalmente se encontraron con la teoría de la banda miocárdica ventricular helicoidal, la idea de que el músculo cardíaco es esencialmente una gran banda helicoidal que se envuelve alrededor de cada uno de los ventrículos del corazón. Esta teoría sigue siendo objeto de debate por parte de algunos investigadores, pero Roche y sus colegas la tomaron como inspiración para su diseño. En lugar de intentar copiar la orientación de la fibra muscular del ventrículo izquierdo desde una perspectiva 3D, el equipo decidió extraer el tejido muscular externo del ventrículo y desenvolverlo para formar una banda larga y plana, una geometría que debería ser mucho más fácil de recrear. En este caso, utilizaron el tejido cardíaco de un corazón de cerdo explantado.

En colaboración con el coautor Chris Nguyen de MGH, los investigadores utilizaron imágenes de tensores de difusión, una técnica avanzada que típicamente rastrea cómo fluye el agua a través de la materia blanca en el cerebro, para mapear las orientaciones microscópicas de la fibra de la banda muscular bidimensional desplegada de un ventrículo izquierdo. Luego fabricaron una matriz de fibras musculares artificiales hechas de tubos de aire delgados, cada uno conectado a una serie de bolsas inflables, o burbujas, cuya orientación modelaron según las fibras musculares fotografiadas.

El movimiento del corazón híbrido biorobótico imita el movimiento de bombeo del corazón bajo ecocardiografía. Crédito: Mossab Saeed

La matriz blanda consta de dos capas de silicona, con una capa soluble en agua entre ellas para evitar que las capas se peguen, así como dos capas de papel cortado con láser, que aseguran que las burbujas se inflen en una orientación específica.

Los investigadores también desarrollaron un nuevo tipo de bioadhesivo para pegar el plástico de burbujas al tejido intracardíaco real del ventrículo. Si bien existen adhesivos para unir tejidos biológicos entre sí, y para materiales como la silicona entre sí, el equipo se dio cuenta de que pocos adhesivos blandos hacen un trabajo adecuado de pegar tejidos biológicos con materiales sintéticos, en particular la silicona.

Así que Roche colaboró con Zhao, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, que se especializa en el desarrollo de adhesivos a base de hidrogel. El nuevo adhesivo, llamado TissueSil, se fabricó funcionalizando la silicona en un proceso de reticulación química, para unirse a los componentes del tejido cardíaco. El resultado fue un líquido viscoso que los investigadores cepillaron en la matriz robótica blanda. También cepillaron el pegamento sobre un nuevo corazón de cerdo explantado al que se le extirpó el ventrículo izquierdo pero se conservaron sus estructuras endocárdicas. Cuando envolvieron la matriz muscular artificial alrededor de este tejido, los dos se unieron firmemente.

Finalmente, los investigadores colocaron todo el corazón híbrido en un molde que habían moldeado previamente del corazón original, todo el corazón, y llenaron el molde con silicona para envolver el corazón híbrido en una cubierta uniforme, un paso que produjo una forma similar a un corazón real y aseguró que el plástico de burbujas robótico se ajustara perfectamente alrededor del ventrículo real.

«De esa manera, no se pierde la transmisión del movimiento del músculo sintético al tejido biológico», dice Roche.

Cuando los investigadores bombearon aire en el plástico de burbujas a frecuencias que se asemejan a un corazón que late naturalmente, y tomaron imágenes de la respuesta del corazón biónico, se contrajo de una manera similar a la forma en que un corazón real se mueve para bombear sangre a través del cuerpo.

En última instancia, los investigadores esperan utilizar el corazón biónico como un entorno realista para ayudar a los diseñadores a probar dispositivos cardíacos como válvulas cardíacas protésicas.

«Imagine que a un paciente antes de la implantación de un dispositivo cardíaco se le podría escanear el corazón, y luego los médicos podrían ajustar el dispositivo para que funcione de manera óptima en el paciente mucho antes de la cirugía», dice Nyugen. «Además, con una mayor ingeniería de tejidos, podríamos ver que el corazón híbrido biorobótico se utilizara como corazón artificial, una solución potencial muy necesaria dada la epidemia mundial de insuficiencia cardíaca en la que millones de personas están a merced de una lista competitiva de trasplantes de corazón.»

Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias.

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