Así es la réplica robótica del ventrículo derecho del corazón. Imita los latidos y el bombeo de sangre y permite simular estados de disfunción ventricular derecha, como la hipertensión pulmonar y el infarto de miocardio.
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Así es la réplica robótica del ventrículo derecho del corazón
Ingenieros del Massachusetts Institute of Technology (MIT) han desarrollado una réplica robótica del ventrículo derecho del corazón que imita los latidos y el bombeo de sangre de los corazones vivos.
El roboventrículo combina tejido cardiaco real con músculos artificiales sintéticos similares a globos que permiten a los científicos controlar las contracciones del ventrículo mientras observan cómo funcionan sus válvulas naturales y otras estructuras complejas.
El ventrículo artificial puede ajustarse para imitar estados sanos y enfermos. El equipo manipuló el modelo para simular estados de disfunción ventricular derecha, como la hipertensión pulmonar y el infarto de miocardio.
Herramienta realista para estudiar trastornos y dispositivos cardiacos
También utilizaron el modelo para probar dispositivos cardíacos. Por ejemplo, implantaron una válvula mecánica para reparar una válvula natural defectuosa y observaron cómo cambiaba el bombeo del ventrículo en respuesta.
Afirman que el nuevo ventrículo derecho robótico, o RRV, puede utilizarse como plataforma realista para estudiar trastornos del ventrículo derecho y probar dispositivos y terapias destinados a tratarlos.
«El ventrículo derecho es especialmente susceptible de sufrir disfunciones en las unidades de cuidados intensivos, sobre todo en pacientes con ventilación mecánica», explica Manisha Singh, investigadora postdoctoral del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT.
«El simulador RRV puede utilizarse en el futuro para estudiar los efectos de la ventilación mecánica en el ventrículo derecho y desarrollar estrategias para prevenir la insuficiencia cardiaca derecha en estos pacientes vulnerables.»
Un ballet de latidos
El ventrículo derecho es una de las cuatro cavidades del corazón, junto con el ventrículo izquierdo y las aurículas izquierda y derecha.
De las cuatro cavidades, el ventrículo izquierdo es el más pesado, ya que su musculatura gruesa y cónica está diseñada para bombear sangre por todo el cuerpo.
El ventrículo derecho, según Roche, es una «bailarina» en comparación, ya que maneja una carga más ligera aunque no menos crucial.
«El ventrículo derecho bombea sangre desoxigenada a los pulmones, por lo que no tiene que bombear con tanta fuerza», señala Roche. «Es un músculo más delgado, con una arquitectura y un movimiento más complejos».
Un modelo funcional realista del ventrículo derecho
Esta complejidad anatómica ha dificultado a los clínicos la observación y evaluación precisas de la función del ventrículo derecho en pacientes con cardiopatías.
«Las herramientas convencionales no suelen captar la compleja mecánica y dinámica del ventrículo derecho, lo que puede dar lugar a diagnósticos erróneos y estrategias de tratamiento inadecuadas», afirma Singh.
Para conocer mejor esta cámara menos conocida y acelerar el desarrollo de dispositivos cardiacos para tratar su disfunción, el equipo diseñó un modelo funcional realista del ventrículo derecho que capta sus complejidades anatómicas y reproduce su función de bombeo.
El modelo incluye tejido cardiaco real, que el equipo decidió incorporar porque conserva estructuras naturales demasiado complejas para reproducirlas sintéticamente.
«Hay finas y diminutas cuerdas y valvas con diferentes propiedades de material que se mueven al unísono con el músculo ventricular. Intentar moldear o imprimir estas estructuras tan delicadas es todo un reto», explica Roche.
La vida útil de un corazón
En el nuevo estudio, el equipo informa del explante del ventrículo derecho de un cerdo, que trataron para preservar cuidadosamente sus estructuras internas. A continuación, le colocaron una envoltura de silicona que actuó como miocardio sintético blando, o revestimiento muscular.
Dentro de este revestimiento, el equipo incrustó varios tubos largos, similares a globos, que rodeaban el tejido cardíaco real, en posiciones que el equipo determinó mediante modelado computacional que eran óptimas para reproducir las contracciones del ventrículo.
Los investigadores conectaron cada tubo a un sistema de control y lo programaron para que se inflara y desinflara a velocidades que imitaban el ritmo y el movimiento reales del corazón.
Para probar su capacidad de bombeo, el equipo infundió al modelo un líquido de viscosidad similar a la de la sangre. Este líquido en concreto era también transparente, lo que permitió a los ingenieros observar con una cámara interna cómo respondían las válvulas y estructuras internas a medida que el ventrículo bombeaba líquido.
Simular con realismo la acción y la anatomía del ventrículo derecho
Comprobaron que la potencia de bombeo del ventrículo artificial y el funcionamiento de sus estructuras internas eran similares a los observados previamente en animales vivos y sanos, lo que demuestra que el modelo puede simular con realismo la acción y la anatomía del ventrículo derecho.
Los investigadores también pudieron ajustar la frecuencia y la potencia de los tubos de bombeo para imitar diversas afecciones cardiacas, como latidos irregulares, debilitamiento muscular e hipertensión.
«En cierto sentido, estamos reanimando el corazón de forma que podamos estudiar y tratar potencialmente su disfunción», afirma Roche.
Para demostrar que el ventrículo artificial puede utilizarse para probar dispositivos cardiacos, el equipo implantó quirúrgicamente dispositivos médicos en forma de anillo de varios tamaños para reparar la válvula tricúspide de la cámara, una válvula unidireccional con forma de hoja que deja pasar la sangre al ventrículo derecho.
Insuficiencia cardiaca derecha o fibrilación auricular
Cuando esta válvula presenta fugas o está físicamente comprometida, puede causar insuficiencia cardiaca derecha o fibrilación auricular, y provoca síntomas como reducción de la capacidad de ejercicio, hinchazón de piernas y abdomen y agrandamiento del hígado.
Los investigadores manipularon quirúrgicamente la válvula del roboventrículo para simular esta afección y, a continuación, la sustituyeron implantando una válvula mecánica o la repararon utilizando dispositivos anulares de distintos tamaños. Observaron qué dispositivo mejoraba el flujo de fluidos del ventrículo mientras seguía bombeando.
«Gracias a su capacidad para reproducir con exactitud la disfunción de la válvula tricúspide, la RRV constituye un campo de entrenamiento ideal para cirujanos y cardiólogos intervencionistas», afirma Singh. «Pueden practicar nuevas técnicas quirúrgicas para reparar o sustituir la válvula tricúspide en nuestro modelo antes de realizarlas en pacientes reales».
Hacia el corazón artificial
Actualmente, la RRV puede simular una función realista durante unos meses. El equipo está trabajando para ampliar ese rendimiento y permitir que el modelo funcione de forma continua durante periodos más largos.
También colaboran con diseñadores de dispositivos implantables para probar sus prototipos en el ventrículo artificial y, posiblemente, acelerar su llegada a los pacientes.
De cara al futuro, Roche planea combinar el RRV con un modelo artificial funcional similar del ventrículo izquierdo, que el grupo está poniendo a punto en la actualidad.
«Prevemos emparejarlo con el ventrículo izquierdo para crear un corazón artificial totalmente ajustable que podría funcionar en personas», afirma Roche. «Aún falta bastante, pero ésa es la visión general».
Esta investigación ha sido financiada en parte por la National Science Foundation.
Fuentes
- Con Información de Jennifer Chu | MIT News
- Imagen de cabecera: (*) MIT – Cortesía de los investigadores – Un nuevo modelo bio-robótico desarrollado por ingenieros del MIT simula la función del menos conocido ventrículo derecho del corazón (ilustrado aquí en sección transversal, visto de frente, a la izquierda). Unos músculos blandos parecidos a globos (en azul) envuelven y contraen el ventrículo, imitando su acción de bombeo real. El modelo podría ayudar a probar nuevos implantes y dispositivos para tratar diversos trastornos cardíacos.
- Manisha Singh, investigadora postdoctoral del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT y sus colegas informan de los detalles del nuevo diseño en un artículo de acceso abierto que aparece en Nature Cardiovascular Research. Entre sus coautores figuran la profesora asociada Ellen Roche, miembro principal del IMES y jefa asociada de investigación del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT; Jean Bonnemain, Caglar Ozturk, Clara Park, Diego Quevedo-Moreno, Meagan Rowlett y Yiling Fan, del MIT; Brian Ayers, del Hospital General de Massachusetts; Christopher Nguyen, de la Clínica Cleveland; y Mossab Saeed, del Hospital Infantil de Boston.
