Desarrollan un corazón robótico que permite ensayar dispositivos cardíacos antes de llegar a los pacientes

SYGNEY, AUSTRALIA/ DIARIO DE SALUD.- Un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur de Sydney (UNSW) ha desarrollado un corazón robótico blando totalmente sintético capaz de reproducir los complejos movimientos y estructuras internas del corazón humano, una tecnología que podría facilitar el desarrollo de nuevos tratamientos, mejorar la seguridad de los dispositivos médicos y avanzar hacia una medicina más personalizada. Los resultados se han publicado en las revistas Nature Communications y Advanced Science.

El dispositivo reproduce el lado izquierdo del corazón e incorpora válvulas artificiales, músculos papilares y cuerdas tendinosas, estructuras esenciales para el correcto funcionamiento cardíaco que suelen verse afectadas por distintas enfermedades. Gracias a ello, el modelo es capaz de recrear con precisión patologías en las que las válvulas presentan fugas y la sangre fluye hacia atrás, una alteración que incrementa el riesgo de insuficiencia cardíaca y otras complicaciones graves.

Los investigadores consideran que esta plataforma puede contribuir a comprender mejor las enfermedades cardiovasculares, reducir la dependencia de los ensayos con animales y, en el futuro, ofrecer modelos personalizados para que los médicos planifiquen intervenciones antes de realizarlas.

El líder del equipo, el profesor asociado Thanh Nho Do, de la Escuela de Ingeniería Biomédica y del Laboratorio de Robótica Médica de la UNSW, ha destacado que este trabajo cobra especial importancia porque las enfermedades cardiovasculares continúan siendo la principal causa de muerte en el mundo.

En este sentido, ha explicado que «La insuficiencia cardíaca con fracción de eyección preservada (HFpEF) es una afección cardíaca compleja que a menudo se presenta junto con otros problemas de salud como la presión arterial alta, las arritmias cardíacas, la enfermedad renal, la obesidad y la diabetes». Asimismo, ha señalado que «dado que afecta a las personas de diferentes maneras, desarrollar dispositivos médicos para mejorar la función cardíaca es un reto». 

Do también ha recordado la importancia de las válvulas cardíacas en el funcionamiento del corazón y ha advertido de que «las válvulas del corazón también son cruciales para la eficiencia cardíaca, pero las enfermedades pueden provocar que se vuelvan permeables o rígidas. Esto puede aumentar la carga de trabajo del corazón y contribuir a la insuficiencia cardíaca». Además, ha resumido el objetivo del proyecto: «Nuestro objetivo principal es construir modelos realistas de corazones artificiales que ayuden a los investigadores a comprender las enfermedades y a desarrollar dispositivos más seguros y eficaces antes de que se prueben en animales o lleguen a los pacientes».

El modelo desarrollado en la UNSW es una réplica blanda y flexible del lado izquierdo del corazón. Sus cámaras internas están formadas por membranas de silicona, mientras que músculos artificiales robóticos blandos envuelven la estructura para reproducir la forma en que el corazón se contrae y se retuerce de manera natural.

A diferencia de los modelos convencionales de laboratorio, este corazón robótico incorpora las estructuras responsables de controlar la válvula mitral, que en el corazón humano actúa como un par de puertas batientes que se abren y cierran con cada latido para permitir el paso de la sangre rica en oxígeno al organismo y evitar el reflujo. La incorporación de esta característica fisiológica permite a los investigadores reproducir enfermedades en las que la válvula presenta fugas y la sangre comienza a fluir hacia atrás.

El Dr. James Davies, investigador posdoctoral del grupo de Do, ha explicado que «el modelo está fabricado con materiales flexibles y funciona gracias a músculos artificiales dispuestos para imitar la arquitectura muscular en capas del corazón humano». Además, ha detallado: «Hemos encontrado una manera de modelar esta arquitectura de fibras musculares utilizando fibras musculares artificiales robóticas blandas. Estas se alimentan mediante presión hidráulica, la cual controlamos para que nuestro modelo de músculo ventricular se mueva como el real».

Davies ha añadido que después «envolvemos esta musculatura artificial alrededor de membranas de silicona que modelan la superficie interna del corazón izquierdo humano, formando así nuestro modelo auriculoventricular del corazón izquierdo. Estas membranas contienen la sangre simulada dentro del corazón izquierdo, lo que permite simular el bombeo de sangre hacia dentro y hacia fuera del modelo».

El sistema también permite ajustar de forma activa la tensión de los músculos papilares artificiales que sostienen la válvula mitral. Gracias a ello, el equipo consiguió recrear afecciones similares a determinadas enfermedades, como el prolapso y la regurgitación de la válvula mitral, en las que la sangre se filtra hacia atrás en lugar de circular de forma eficiente.

RECREANDO EL LATIDO DEL CORAZÓN 

Mediante imágenes de ultrasonido y mediciones de presión y flujo sanguíneo, los investigadores demostraron que el corazón artificial se comporta de forma muy similar a un corazón humano. Mientras que el funcionamiento normal de la válvula genera patrones fisiológicos de presión y flujo, la inducción de enfermedades reproduce los cambios característicos que se observan en los pacientes. Sobre estos resultados, Do ha explicado que «en el primer estudio que reprodujo el sistema valvular interno del corazón humano, pudimos generar formas de onda de presión y flujo similares a las del corazón real». Asimismo, ha destacado que «fundamentalmente, pudimos ajustar la función de la válvula mitral controlando la longitud del músculo papilar».

El investigador también ha señalado que «validamos este método utilizando mediciones invasivas de presión y flujo dentro y fuera del corazón, pero también pudimos demostrar la compatibilidad del modelo con medidas clínicas no invasivas de la función cardíaca, como imágenes de ultrasonido o ecocardiografía». Además, ha resaltado que «la simulación del funcionamiento de una válvula mitral sana siguió las expectativas fisiológicas en cuanto a la presión y el flujo cardíacos, mientras que la inducción de la enfermedad mostró un aumento de la regurgitación o reflujo, y una disminución de la presión y el flujo de salida, lo que también coincide con la enfermedad de las válvulas cardíacas humanas».

Por su parte, el profesor Nigel Lovell, jefe de la Escuela de Ingeniería Biomédica y director de Tyree IHealthE, ha añadido que «las imágenes de ultrasonido también se asemejaban a las imágenes cardíacas humanas debido a la forma y función biomiméticas de nuestro modelo. Pudimos observar el movimiento de las valvas de las válvulas como en los humanos y visualizar el flujo sanguíneo a través de ellas, incluyendo la formación de chorros de regurgitación que salían de las válvulas con la enfermedad inducida».

UN ENTORNO CONTROLABLE Y REPRODUCIBLE 

Los investigadores también utilizaron el sistema para probar un catéter cardíaco robótico flexible de reciente desarrollo dentro del modelo latiendo. El dispositivo fue capaz de desplazarse por el corazón artificial y detectar cuándo entraba en contacto con las estructuras cardíacas en movimiento, lo que demuestra el potencial de esta plataforma para acelerar el desarrollo de futuras herramientas quirúrgicas.

Al proporcionar un entorno controlable y reproducible, el simulador podría reducir la necesidad de recurrir a modelos animales durante las primeras fases del desarrollo de dispositivos médicos.

En este sentido, Do ha asegurado que «esperamos crear una plataforma para modelar de forma integral las enfermedades cardíacas y simular sus diversos tratamientos, incluidos los implantes cardíacos y los instrumentos quirúrgicos». Además, ha explicado que «sobre todo en las primeras etapas del desarrollo de dispositivos cardíacos, una plataforma de este tipo ofrecerá control sobre la función cardíaca manteniendo la relevancia anatómica y fisiológica, reduciendo nuestra dependencia de los modelos animales y los costes y las preocupaciones éticas que conllevan».

Asimismo, ha subrayado que «Al poder inducir una amplia gama de cardiopatías específicas, como la insuficiencia cardíaca con fracción de eyección preservada (HFpEF), que sigue siendo una de las insuficiencias cardíacas menos comprendidas y más difíciles de tratar, esperamos contribuir al desarrollo de nuevos implantes y dispositivos diseñados específicamente para salvar y mejorar vidas y reducir la carga que suponen las enfermedades cardiovasculares para los sistemas sanitarios». Del mismo modo, ha defendido que «La insuficiencia cardíaca con fracción de eyección preservada (HFpEF), que representa el 50% de los casos de insuficiencia cardíaca, merece sus propias opciones de tratamiento mecánico».

El modelo también consiguió reproducir con éxito muchos de los cambios observados en la insuficiencia cardíaca con fracción de eyección preservada (HFpEF), incluidos los cambios en la función cardíaca y en el flujo sanguíneo. Cuando los investigadores simularon uno de los primeros signos de esta enfermedad, caracterizado por una menor capacidad del corazón para relajarse entre latidos, el modelo mostró que la sangre fluía hacia el corazón de forma más lenta y menos eficiente. Este llenado retardado aumentó la presión dentro del corazón de forma muy similar a la observada habitualmente en los pacientes con HFpEF. 

El equipo también prevé desarrollar en el futuro modelos personalizados a partir de imágenes médicas de cada paciente. Estas versiones podrían ayudar a los médicos a evaluar distintos dispositivos y estrategias terapéuticas antes de una intervención, mejorando la planificación quirúrgica y favoreciendo mejores resultados.

Sobre esta futura aplicación, Do ha afirmado que «con el auge de la medicina personalizada, también esperamos posibilitar una mejor modelización cardiovascular específica para cada paciente, que pueda ayudar en la planificación quirúrgica y fundamentar las decisiones sobre el tipo, el tamaño y los parámetros funcionales del implante». Asimismo, ha sentenciado: «Esperamos validar estos conceptos e impulsar su adopción clínica en el futuro». Aunque los resultados ponen de manifiesto el potencial de esta tecnología, los investigadores subrayan que el modelo actual sigue siendo una prueba de concepto y todavía no constituye una herramienta clínica terminada.

Aún será necesario mejorar los materiales, perfeccionar los sistemas de control, aumentar la compatibilidad con las técnicas de imagen médica y desarrollar modelos con geometrías específicas para cada paciente. Además, la plataforma deberá validarse utilizando datos reales de pacientes. En relación con los próximos pasos, Do ha indicado que «El siguiente paso más importante es una validación más exhaustiva con datos clínicos». Además, ha recordado que «los estudios actuales demuestran un sólido rendimiento en la prueba de concepto».

Por último, ha precisado que «el modelo puede reproducir características clave de presión, flujo, movimiento, válvulas e imágenes que coinciden con el comportamiento del corazón humano. Sin embargo, antes de que esta plataforma pueda utilizarse para la toma de decisiones clínicas, necesitamos compararla sistemáticamente con datos de pacientes con una amplia gama de anatomías cardíacas y grados de gravedad de la enfermedad».

El equipo, en el que también participan el profesor Christopher Hayward, la profesora Jelena Rnjak-Kovacina y la profesora asociada Hoang-Phuong Phan, confía en que, con un mayor desarrollo, esta tecnología pueda incorporarse a la práctica clínica. En ese sentido, el Dr. Davies ha concluido que «en lugar de considerar el modelo actual como una herramienta clínica terminada, lo vemos como una plataforma facilitadora». Asimismo, concluye: «esto demuestra que los corazones artificiales robóticos flexibles pueden reproducir la mecánica de las enfermedades de una manera que los modelos de laboratorio convencionales no pueden, y proporciona un camino claro hacia el modelado específico para cada paciente, las pruebas de dispositivos y, en última instancia, la planificación del tratamiento».