- 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.
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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