Los ingenieros del MIT han desarrollado una réplica robótica del ventrículo derecho del corazón, que imita el latido y el bombeo de sangre de los corazones vivos.

El roboventrículo combina tejido cardíaco real con músculos artificiales sintéticos en forma de globos que permiten a los científicos controlar las contracciones del ventrículo mientras observan cómo funcionan sus válvulas naturales y otras estructuras intrincadas.

El ventrículo artificial se puede sintonizar para imitar estados sanos y enfermos. El equipo manipuló el modelo para simular condiciones de disfunción ventricular derecha, incluida la hipertensión pulmonar y el infarto de miocardio. También utilizaron el modelo para probar dispositivos cardíacos. Por ejemplo, el equipo implantó una válvula mecánica para reparar una válvula natural que funcionaba mal y luego observó cómo cambiaba el bombeo del ventrículo en respuesta.

Dicen que el nuevo ventrículo derecho robótico, o RRV, puede usarse como una plataforma realista para estudiar los trastornos del ventrículo derecho y probar dispositivos y terapias destinados a tratar esos trastornos.

"El ventrículo derecho es particularmente susceptible a la disfunción en las unidades de cuidados intensivos, especialmente en pacientes con ventilación mecánica", dice Manisha Singh, postdoctorada en el Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT. "El simulador RRV se podrá utilizar en el futuro para estudiar los efectos de la ventilación mecánica en el ventrículo derecho y desarrollar estrategias para prevenir la insuficiencia cardíaca derecha en estos pacientes vulnerables".

Singh y sus colegas informan sobre los detalles del nuevo diseño en un artículo de acceso abierto que aparece hoy en Nature Cardiovascular Research. Sus coautores incluyen a la profesora asociada Ellen Roche, miembro principal de IMES y directora asociada de investigación en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT; junto a 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 Boston Children´s Hospital.

Un ballet de ritmos

El ventrículo derecho es una de las cuatro cámaras del corazón, junto con el ventrículo izquierdo y las aurículas izquierda y derecha. De las cuatro cámaras, el ventrículo izquierdo es el que levanta más peso, ya que su musculatura gruesa en forma de cono está diseñada para bombear sangre por todo el cuerpo. El ventrículo derecho, dice Roche, es una “bailarina” en comparación, ya que soporta 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".

Esta complejidad anatómica ha dificultado que los médicos observen y evalúen con precisión la función del ventrículo derecho en pacientes con enfermedades cardíacas.

"Las herramientas convencionales a menudo no logran capturar la intrincada mecánica y dinámica del ventrículo derecho, lo que conduce a posibles diagnósticos erróneos y estrategias de tratamiento inadecuadas", dice Singh.

Para mejorar la comprensión de la cámara menos conocida y acelerar el desarrollo de dispositivos cardíacos para tratar su disfunción, el equipo diseñó un modelo funcional y realista del ventrículo derecho que captura sus complejidades anatómicas y reproduce su función de bombeo.  

El modelo incluye tejido cardíaco real, que el equipo decidió incorporar porque conserva estructuras naturales que son demasiado complejas para reproducirlas sintéticamente.

“Hay cuerdas y valvas valvulares delgadas y diminutas con diferentes propiedades materiales que se mueven en conjunto con el músculo del ventrículo. Intentar moldear o imprimir estas estructuras tan delicadas es todo un desafío”, explica Roche.

La vida útil de un corazón

En el nuevo estudio, el equipo informa que explantaron el ventrículo derecho de un cerdo, que trataron para preservar cuidadosamente sus estructuras internas. Luego le colocaron una envoltura de silicona, que actuó como un miocardio sintético suave o revestimiento muscular. Dentro de este revestimiento, el equipo incrustó varios tubos largos con forma de globo, que rodeaban el tejido cardíaco real, en posiciones que el equipo determinó mediante modelos computacionales como óptimas para reproducir las contracciones del ventrículo. Los investigadores conectaron cada tubo a un sistema de control, que luego configuraron para inflar y desinflar cada tubo 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 similar en viscosidad a la sangre. Este líquido en particular también era transparente, lo que permitió a los ingenieros observar con una cámara interna cómo respondían las válvulas y estructuras internas cuando el ventrículo bombeaba líquido.

Descubrieron que el poder de bombeo del ventrículo artificial y la función de sus estructuras internas eran similares a lo que habían observado previamente en animales vivos y sanos, lo que demuestra que el modelo puede simular de manera realista 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 cardíacas, como latidos cardíacos irregulares, debilitamiento muscular e hipertensión.

"Estamos reanimando el corazón, en cierto sentido, y de una manera que podemos estudiar y potencialmente tratar su disfunción", dice Roche.

Para demostrar que el ventrículo artificial se puede utilizar para probar dispositivos cardíacos, el equipo implantó quirúrgicamente dispositivos médicos en forma de anillo de varios tamaños para reparar la válvula tricúspide de la cámara, una válvula unidireccional de hojas que permite que la sangre entre al ventrículo derecho. Cuando esta válvula tiene fugas o está físicamente comprometida, puede causar insuficiencia cardíaca derecha o fibrilación auricular y provocar síntomas como reducción de la capacidad de ejercicio, hinchazón de las piernas y el abdomen y agrandamiento del hígado.

Los investigadores manipularon quirúrgicamente la válvula del roboventrículo para simular esta condición, luego la reemplazaron implantando una válvula mecánica o la repararon usando dispositivos en forma de anillo de diferentes tamaños. Observaron qué dispositivo mejoraba el flujo de líquido del ventrículo mientras continuaba bombeando.

"Con su capacidad para replicar con precisión la disfunción de la válvula tricúspide, el RRV sirve como un campo de entrenamiento ideal para cirujanos y cardiólogos intervencionistas", dice Singh. "Pueden practicar nuevas técnicas quirúrgicas para reparar o reemplazar la válvula tricúspide en nuestro modelo antes de realizarlas en pacientes reales".

Actualmente, el RRV puede simular una función realista en unos pocos meses. El equipo está trabajando para ampliar ese rendimiento y permitir que el modelo funcione continuamente durante períodos más largos. También están trabajando con diseñadores de dispositivos implantables para probar sus prototipos en el ventrículo artificial y posiblemente acelerar su camino hacia los pacientes. Y mirando hacia un futuro lejano, Roche planea combinar el RRV con un modelo funcional artificial similar del ventrículo izquierdo, que el grupo está perfeccionando actualmente.

"Prevemos combinar esto con el ventrículo izquierdo para crear un corazón artificial totalmente sintonizable, que potencialmente podría funcionar en personas", dice Roche. "Estamos lejos, pero esa es la visión general".

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

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