- Introducción
- Principios
- Tipos de corazones artificiales
- Los pioneros en el diseño del primer prototipo de corazón artificial
- Tipos de prototipos actuales
- Primer Trasplante de corazón en Sudamérica
- Bio compatibilidad y requisitos para el trasplante
- Concluciones
- Referencias
Resumen—Día a día el mundo crece un poco más, y la tecnología avanza a pasos agigantados, esta es la razón por la cual en el presente documento se presentara uno de los avances más grandes y que será la ciencia del futuro, hablo de la biotecnología puntualmente me referiré al corazón artificial, las investigaciones más actuales, su historia, su funcionamiento y sobretodo los resultados obtenidos por los pacientes que hoy dan testimonio sobre el trasplante de corazón sintético.
Introducción
Desde siempre el ser humano se ha planteado la idea de cómo mejorar los órganos para evitar enfermedades crónicas graves, pero encima de esto diversos accidentes y deformaciones de nacimiento han hecho que hoy en día el uso de prótesis y el desarrollo de las mismas sea muy importante para la medicina, pero la ingeniería poco a poco se abre paso en esta área tan importante hasta el punto de no solo tener prótesis de extremidades, sino de órganos internos importantes y complejos como el corazón.Las primeras investigaciones sobre los corazones artificiales fue la circulación extracorpórea en 1953 constituyó la primera forma de remplazar temporalmente la función del corazón para realizar todo tipo de intervenciones sobre este órgano. Sin duda que uno de los acontecimientos más trascendentes en el campo del tratamiento de la falla cardiaca terminal ha sido el trasplante de células, tejidos u órganos de una persona a otra (alotrasplante), utilizando donantes cadáver. El primero lo realizó el Dr. Christian Barnard en 1967 y constituye hasta hoy la mejor modalidad de tratamiento de la insuficiencia cardiaca congestiva. [2]
Principios
Un invento que mayor importancia se ha dado en el mundo de la biotecnología, es el desarrollo del corazón artificial, el cual es un órgano bien importante en el ser humano, que aparte de ser un aparato circulatorio, es un músculo fundamental para la vida.
El corazón artificial es una prótesis que, implantada en el cuerpo, cumple las mismas funciones que un corazón biológico, funciona de modo similar a una bomba, impulsando sangre a través del cuerpo, lo cual posee tres grandes complejidades para lograr emularlo: el proceso de coagulación, el rechazo por parte del cuerpo del receptor y la energía para alimentar su estructura mecánica. [1][5][6] Algunas complicaciones que puede presentar en la prótesis, es el rechazo del trasplante, debido a que el organismo detecta la presencia de un cuerpo extraño, así como la necesaria utilización de baterías externas que pueden limitar la agitación del paciente en varias horas.[5] Existen dos tipos de corazones artificiales:
Los TAH (Corazón Artificial Total)
Los VAD (Dispositivo de Asistencia Cardíaca)
Y estos se dividen en:
LVAD (asistencia ventricular izquierda).
RVAD (asistencia ventricular derecha).
Materiales para su Construcción Un corazón artificial común está hecho de metal, plástico, cerámica, y partes de animales. Una aleación de titanio, aluminio, vanadio se utiliza para la bomba y otras piezas de metal, ya que es bio compatible. Las piezas de titanio se echan en un procesador de titanio especializado. A excepción de las superficies de contacto con la sangre, el titanio se mecaniza con un acabado específico. Las superficies de contacto con la sangre reciben un recubrimiento especial de micro esferas de titanio que se unen permanentemente a la superficie. Con este recubrimiento, las células de la sangre se adhieren a la superficie, creando un revestimiento vivo.
La parte del corazón que tiene contacto con el diafragma, está hecha con un tipo especial de poliuretano que también está texturizado para proporcionar adherencia a las células de la sangre. Dos injertos tubulares están hechos de poliéster (se utilizan para unir el dispositivo a la aorta) y las válvulas son válvulas reales retiradas del corazón de un cerdo. Otras partes que componen el motor están hechas de titanio o de otros metales y cerámicas. [10][16]
Diseño Existen varios aspectos críticos en el diseño de un corazón artificial. La dinámica de fluidos del flujo de sangre debe de ser lo suficientemente fuerte de manera que se bombee la suficiente para mantener el cuerpo en funcionamiento y que no se creen coágulos de sangre. Los materiales elegidos deben de ser completamente bio compatibles, o de lo contrario, la bomba puede fallar. La eficiencia del motor debe ser optimizada de manera que su funcionamiento genere un calor mínimo. Debido al posible rechazo, el volumen total y el área de superficie de todo el dispositivo debe mantenerse lo más pequeño posible. [5][7]
Proceso de manufacturación La mayoría de los componentes se fabrican a las especificaciones personalizadas por otros fabricantes, como talleres mecánicos y fabricantes de placas de circuitos impresos. Las válvulas porcinas se cosen en el interior de los injertos con puntos de sutura en una empresa de dispositivos médicos que se especializa en las válvulas del corazón. Una vez que se obtienen todos los componentes, se monta y después de haber terminado el montaje, cada dispositivo se prueba con un equipo especial que simula las presiones en el cuerpo. Todos los componentes electrónicos se prueban con un equipo que asegura el correcto funcionamiento de todos los circuitos. [1]
Tipos de corazones artificiales
TAH (Corazón Artificial Total)
Un TAH es un remplazo completo del corazón biológico y requiere de la misma intervención que se realiza para un trasplante de corazón por el de un donante.
Las primeras investigaciones de pruebas con TAH, vienen desde 1937, cuando el médico ruso Vladimir Petrovic Demikhov ensayó con perros, la colocación de un implante basado en una bomba de rodillos que poseía un motor que atravesaba el esternón.
Hasta 1953 no se conocieron otras pruebas relacionadas con este tipo de implantes, año en que el doctor John Heysham Gibbon realizó la primera cirugía de corazón abierto o BCP (Bypass Cardiopulmonar), instalando una máquina corazón-pulmón conocida como "La Bomba". [12][15]
Figura 1. Máquina corazón pulmón A pesar de que para los historiadores, esta experiencia no suele ser considerado como el primer trasplante de corazón artificial, el interés científico que despertó fue suficiente para que el mundo comenzaran a ensayar soluciones para las enfermedades del corazón, entre los que se destacó, fue el primer corazón artificial permanente implantado el 1 de diciembre de 1982. El paciente padecía una miocardiopatía dilatativa y una neuropatía obstructiva, donde luego de varias pruebas, se realizarían otros tres trasplantes. Logrando varios estudios, en los que el corazón artificial TAH permitió mantener con vida a los pacientes durante un total de 620 días, donde las condiciones del corazón artificial en el organismo presentaron infecciones debido al material de la prótesis y un promedio de vida prolongado de pocos años debido al funcionamiento del mismo.[12] En todos los pacientes el corazón artificial se ha podido detectar un aumento espontáneo del volumen cardíaco del 0.5% al 30 %, durante un esfuerzo físico que realice debido al nivel de complejidad y tiempo realice.[15]
VAD (Dispositivo de Asistencia Cardíaca)
Es un dispositivo que se coloca junto al corazón para dar soporte y asistencia al órgano, realizando toda la función de bombeo del corazón o parte de él. Se implanta como un puente al trasplante o como una alternativa al trasplante denominada terapia destino.
Figura 2. Mecanismo de asistencia cardiaca En el centro del sistema de apoyo ventricular, está la bomba HVAD. La bomba se asienta en el interior del tórax y se conecta directamente al corazón. Bombea sangre desde el lado izquierdo del corazón hacia la aorta (vaso sanguíneo de gran tamaño que lleva la sangre desde el corazón al resto del cuerpo). La sangre sale de la bomba en una corriente continua como el agua de una manguera. Este flujo de sangre continuo es diferente de los latidos de un corazón normal y como resultado, es posible que la persona no sienta el pulso, por lo que no hay que tener problema, ya que esta situación es completamente normal. [17] .
Figura 3. Flujo de sangre alrededor del sistema ventricular La bomba HVAD funciona mediante una pequeña computadora externa denominada controlador. La bomba y el controlador están conectados por una pequeña línea de transmisión que pasa a través de la piel, en la parte superior del abdomen. El controlador hace funcionar la bomba y también proporciona mensajes de texto y alarmas audibles para ayudar a la persona a controlar el sistema. El controlador funciona con dos baterías o con electricidad de un tomacorriente de pared. Donde ajusta las funciones de la bomba. Este dispositivo bombea sangre por todo el cuerpo cuando el corazón de la persona no es lo suficientemente fuerte para hacerlo adecuadamente por sí mismo. El VAD está diseñado para ayudar al corazón a bombear la sangre, por lo tanto, los pacientes a quienes se les ha implantado un VAD, de vez en cuando presentan un pulso muy ligero debido al flujo constante del VAD que proporciona el impulsor.[12][17]
Figura 4. Mecanismo completo en la persona
Primera generación
Los primeros VAD describen el funcionamiento del corazón usando una trabajo pulsatorio, en donde la sangre es extraída del ventrículo y empujada hacia la aorta en forma de pulsos de flujo. Entre los dispositivos de este tipo están el HeartMate IP LVAS, que fue aprobado para el uso en Estados Unidos por la FDA en Octubre de 1994.[18]Estos dispositivos son conocidos regularmente como los VAD de primera generación. Los dispositivos de asistencia ventricular de primera generación utilizan rodamientos mecánicos y membranas neumáticas para reducir la fricción entre las partes y lograr bombear la sangre. [9]
Segunda generación
Un desarrollo reciente, se ha concentrado en las bombas de flujo continuo, dentro de las cuales se encuentran las bombas centrífugas. Las cuales tienen la ventaja de ser dispositivos pequeños y versátiles. Un efecto lateral del uso de estos aparatos es que el paciente no tiene pulso, o la intensidad del pulso se reduce ampliamente, lo que exige indicar a la persona que la falta de pulso no significa que la persona esté muerta.[9]
Tercera generación
La tercera generación de dispositivos suspende el impulsor en la bomba usando suspensión hidrodinámica o electromagnética, eliminando la necesidad de rodamientos y reduciendo el número de partes móviles.[9]
Los pioneros en el diseño del primer prototipo de corazón artificial
Figura 5. Primer prototipo de un corazón artificial Jarvik-7 La primer patente de un corazón artificial fue registrada por el estadounidense Paul Winchell en 1963, quien le cedió a la Universidad de Utah, donde el científico Robert Jarvik desarrolló el primer prototipo del Jarvik-7, modelo que tenía grandes innovaciones como un material de recubrimiento interno que beneficiaba la adherencia de la sangre y el recubrimiento de sus paredes internas con tejido vivo, diseño que permitió establecer un flujo más natural de la sangre.
En 1982, el exitoso trasplante del doctor William Devries a un paciente que sobrevivió 620 días con un Jarvik-7 permitió considerarse como un avance importantísimo en la medicina moderna dedicada a la biotecnología.[2][9][15]
Tipos de prototipos actuales
El corazón es capaz de bombear 35 millones de veces al año durante un ciclo mínimo de cinco años sin interrupciones. Está compuesto por 900 diminutos componentes que tienen que funcionar a la perfección. Una serie de sensores, detectan el nivel de esfuerzo del paciente y envían la información a un ordenador en miniatura, que genera comandos para que los motores, bombeen más rápido o más lento, permitiéndole aportar más o menos oxígeno a los tejidos y controlar la presión arterial en función del nivel de actividad de la persona.
La batería incorporada dura dos años y pasado ese tiempo la persona deberá volver al quirófano. Pero la ventaja es que esta operación se realizará sin perforaciones y mediante inducción magnética.
La prótesis se basa en los componentes, a menudo de origen animal, de las válvulas cardiacas. Gracias a sus tejidos biológicos, el corazón soluciona, según sus creadores, los principales problemas a los que se enfrentan las prótesis cardiacas artificiales.
La gran desventaja que posee este nuevo corazón artificial, es que no es para todos. Con sus 900 gramos (más pesado que uno humano, de 300 gramos en promedio) solo puede ser implantado en personas corpulentas. Sería compatible con el 70% de pacientes masculinos y 25% femenino. Otra desventaja es su precio estimado de 160 mil euros.[4][5]
Figura 7. Corazón Artificial AbioCor Corazón artificial desarrollado por la empresa Abiomed INC, tiene cerca de 1 kg. de peso, está constituido dispositivo por una torácica interna, una batería interna recargable, un dispositivo electrónico interno diminuto y una batería externa. Tiene la capacidad de mover la sangre desde los pulmones hasta el resto del cuerpo continuamente. Sin duda, este tipo de corazón artificial es eficaz para los pacientes que están al borde de la muerte por un fallo cardiaco.
El corazón artificial AbioCor, posee algunos inconvenientes, entre los cuales, son que tienen un gran tamaño y su corto periodo de funcionamiento. Quizás, en un futuro, sea posible el desarrollo de un corazón artificial totalmente implantable y seguro.[5][12]
Proceso que se lleva a cabo para la realización del trasplante de corazón artificial
La cirugía para implantar un corazón artificial es extremadamente delicada. Los cirujanos no solo están cortando y extrayendo los ventrículos derecho e izquierdo del corazón natural, sino que también están poniendo un objeto extraño en el pecho de la persona. El paciente es colocado en una máquina de corazón-pulmón que asume el trabajo de oxigenar y bombear la sangre hacia los diferentes sistemas del organismo. La cirugía requiere cientos de puntos de sutura para asegurar correctamente el corazón a los ventrículos artificiales. Se utilizan injertos para conectar el corazón artificial con lo que queda del corazón real. Los injertos son un tipo de tejido sintético que se usa para conectar el dispositivo artificial al tejido natural del paciente (Bonsor, 2013).
De acuerdo la Universidad de Louisville y la experiencia del cirujano Robert Dowling (2013), a continuación se presenta el procedimiento para implantar un corazón artificial.
1. Los cirujanos implantan una bobina de transferencia de energía en el abdomen.
2. El hueso del pecho se abre y se coloca al paciente en una máquina de corazón-pulmón que permitiría drenar sangre al resto del cuerpo durante el trasplante.
3. Los cirujanos quitan los ventrículos derecho e izquierdo del corazón nativo y se acomodan los grandes vasos. Sólo esta parte de la cirugía, toma de dos a tres horas.
4. Se cosen de derecha a izquierda las aurículas del corazón nativo.
5. El modelo de plástico se coloca en el pecho para determinar una colocación adecuada y un ajuste exacto.
6. Injertos de tejido se cortan a una longitud apropiada y se utilizan para coser la aorta y la arteria pulmonar.
7. El Corazón artificial se coloca en el pecho. Los cirujanos utilizan una técnica denominada "conexión rápida" que son como pequeños broches de presión para conectar el corazón a la arteria pulmonar, aorta y la aurícula izquierda de la derecha.
8. Todo el aire en el dispositivo se retira.
9. El paciente es liberado de la máquina corazón-pulmón.
10. El equipo quirúrgico se asegura de que el corazón está funcionando correctamente.
Una vez que el dispositivo se encuentra en funcionamiento, los cirujanos no tienen mayores complicaciones; sin embargo, la mayoría de las muertes que se han dado después de realizar éste trasplante se debe a problemas relacionados con la aceptación del paciente al corazón, septicemias causadas por incompatibilidad o accidentes cerebrovasculares por fallas en el sistema del dispositivo. [14]
Primer trasplante de corazón artificial
Figura 9. Trasplante de un Corazón Artificial
Pedro Antonio Pérez de 67 años se ha convertido en el primer receptor de un corazón artificial permanente en España., sufrió un infarto en 1996, y fue diagnosticado según los médicos pocas semanas de vida.
La gran oportunidad que tubo la persona fue y método muy moderno y práctico que decidieron probar los médicos, implantando una prótesis de un corazón sintético, donde dicho dispositivo artificial es un mecanismo de titanio con dos tubos de entrada y salida al corazón, y un motor bomba eléctrico que impulsa la sangre al interior del órgano, y que se inserta en el pecho de la persona.
Externamente, un cable pequeño se conecta a la unidad de control, permanente en una batería eléctrica que puede ser enchufada a cualquier tomacorriente, o en dos recargables con una duración aproximada de 12 horas, que pueda permitir a la persona llevar una vida lo más normal posible.
Se deduce que el corazón artificial puede durar entre 8 y 10 años funcionando, y transcurrido ese tiempo debería sustituirse sólo la parte del motor.
Mientras tanto, la persona solo tiene que realizar un aseo intensivo en la zona del cable de conexión eléctrica que, al estar en contacto con el exterior, es la única zona que puede generar a largo plazo infección.
El dispositivo cuesta alrededor de 129.500 dólares pero, según los cardiólogos del 12 de octubre, resulta mucho más barato que los tratamientos diarios que cuesta el tratamiento del paciente cada vez que ingresaba por una crisis cardiaca.[8][19]
Primer Trasplante de corazón en Sudamérica
Figura 8. Dispositivo de Asistencia Ventricular Heartmate El país que realizó el primer trasplante de corazón artificial es Colombia, el cual obtuvo un gran éxito en la cirugía del dispositivo de asistencia ventricular Heartmate.
Esta intervención quirúrgica se llevó a cabo en la Fundación Cardiovascular de Colombia, en la ciudad de Bucaramanga y permitió salvarle la vida a Cielo González Díaz, de 51 años de edad.
El corazón artificial, fue traído de los EE.UU. La función que cumple es salvar la vida del paciente mientras espera un trasplante. En la actualidad hay más de 17.000 personas en Norteamérica, Europa y Asia con este corazón artificial que por primera vez es implantado en Sudamérica. [3]
Bio compatibilidad y requisitos para el trasplante
Un problema que siempre ha presentado el paciente candidato a trasplante son las cuestiones de compatibilidad biológica, es decir, si el cuerpo del beneficiario aceptará el órgano del donante. Por naturaleza, el organismo de los seres humanos se encuentra en un medio vivo y adaptado a sus necesidades fisiológicas; si introducimos algún cuerpo extraño en él, nuestro cuerpo podría causar severos rechazos e infecciones mortales; sin embargo, desde que se conoce el panorama anatómico y fisiológico del cuerpo humano, se sabe de la necesidad de materiales adecuados que puedan incorporarse sin ser rechazados. Actualmente ha crecido exponencialmente la cantidad de materiales denominados bio materiales, los cuales son usados para el tratamiento o remplazo total de órganos y tejidos. Es entendible entonces saber que para que un bio material funcione adecuadamente, debe cumplir con varias condiciones obligatorias. La primera es la bio-compatibilidad, lo cual significa que el material reacciona de la manera deseada al estar en contacto con sustancias o tejidos corporales. La segunda es que deben de tener un grado nulo de toxicidad y finalmente debe mantener una integridad estructural por un determinado tiempo. Las infecciones son bastante frecuentes en pacientes que acaban de ser trasplantados y entre todas ellas, la bacteriana resulta ser la más frecuente y mortal.
El trasplante de corazón artificial no se encuentra exento de esta problemática. La bio compatibilidad es un asunto importante al tratar con estos corazones artificiales ya que los pacientes no siempre responden de la misma manera. Las respuestas inmunitarias son variables y dependiendo del estado del paciente se determina la violencia con la que se presentan estas respuestas. Las principales problemáticas, dice Becker (2007) derivan de que aún no ha sido posible diseñar superficies o válvulas 100% bio compatibles. Este problema del material influye en la posible formación de trombos, conduciendo de esta manera a las diversas infecciones a las que la persona se encuentra expuesta. Las principales complicaciones que se han experimentado con estos dispositivos son las hemorragias, accidentes neurológicos asociados a trombos y embolias. El mal funcionamiento de los aparatos es también otro riesgo al que se expone el paciente, dando como resultado hemólisis y por supuesto un paciente inmunocomprometido. [11][13][18]
Concluciones
El avance tecnológico es tan apresurado que no permite descansos, por ello a lo largo de los años se han ido desarrollando nuevas técnicas y diferentes prototipos de corazones artificiales, con diferentes materiales, está claro que para cada persona debería existir un tipo de material diferente por los efectos secundarios que podrían darse. Para un trasplante de este tipo debe existir un estudio previo, además no todas las personas son aptas para recibir un corazón sintético, esta cirugía es de alto riesgo ya que los resultados pueden variar en cada paciente; aun así de la variación de los resultados el tiempo de vida que se ha otorgado con la ayuda de un órgano vital sintético es muy grande, por lo que las investigaciones avanzan sin descanso.Todo este avance tecnológico es una lucha contra la naturaleza, enfermedades, defectos genéticos, en otras palabras es una lucha en donde la supervivencia humana está en juego.
Referencias
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[3] Investigación: Syncardia CardioWest, Abiomed Inc. Consultado el 12/01/15 de
http://www.larazon.net/2014/04/24/realizan-el-primer-transplante-de-corazon-artificial-en-suramerica/#sthash.IWHNnbCp.dpuf
[4] El corazón artificial autónomo creado por los franceses promete la misma revolución que el primer transplante cardíaco realizado por Christiaan Barnard en 1967. Consultado el 25/01/15 de www.carmatsa.com
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[6] M. E. Greene, J. Clark, D. Mohr and H. Bourland, "Mathematical Model of Left Ventricular System", Medical and Biological Engineer, Vol. 11, pp. 126-134, 1973.
[7] The Franklin Institute. (2012). The human heart. Resources for science learning. Consultado el 28/01/15 de http://www.fi.edu/learn/heart/healthy/fake.html
[8] Stephenson, Larry W, et al. "The Michigan Heart: The World's First Successful Open Heart Operation?" Journal of Cardiac Surgery 17.3 (2002): 238–246. Consultado el 28/01/15 de http://en.m.wikipedia.org/wiki/Artificial_heart
[9] Rodriguez, Diego. (2004). Prototipos de corazón artificial. XIII Seminario de Ingeniería Biomédica. Montevideo, Uruguay. Consultado el 02/02/15 de
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[10] Ozols, Andrés. (2010). Introducción a los biomateriales. Instituto de ingeniería biomédica. Consultado el 02/02/15 de http://www.sobiarg.com/SOBI/BIOMATERIALES/Introducci%C3%B3n%20Biomateriales.pdf
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[12] Journal of Cardiac Surgery 17.3 (2002): 238–246. Consultado el 02/02/15 de http://es.wikipedia.org/wiki/Coraz%C3%B3n_artificial
[13] Ditlea, Steve. (2002). Exitos y limitaciones de un corazón artificial. Investigación y ciencia. Consultado el 04/02/15 de www.mentormob.com/learn/mmHosted/38699?. P.47-50
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10 novedosas tecnologías para el desarrollo de órganos artificiales
[19] Realizan con éxito el primer implante de un corazón artificial bioprotésico. Eduardo Rivero ? 23 – dic – 2013, 3:30 pm. Recuperado el 25/01/15 de
http://www.unocero.com/2013/12/23/realizan-con-exito-el-primer-implante-de-un-corazon-artificial-bioprotesico/
Universidad Politécnica Salesiana Ingeniería Electrónica
Autor:
Mathews Castillo
jcastillog2[arroba]est.ups.edu.ec