Os engenheiros do MIT desenvolveram uma réplica robótica do ventrículo direito do coração, que imita o batimento e o bombeamento do sangue de corações vivos.

O ventrículo robótico combina tecido cardíaco real com músculos artificiais sintéticos, semelhantes a balões, que permitem aos cientistas controlar as contrações do ventrículo enquanto observam como funcionam suas válvulas naturais e outras estruturas complexas.

O ventrículo artificial pode ser ajustado para imitar estados saudáveis e doentes. A equipe manipulou o modelo para simular condições de disfunção ventricular direita, incluindo hipertensão pulmonar e infarto do miocárdio. Eles também usaram o modelo para testar dispositivos cardíacos. Por exemplo, a equipe implantou uma válvula mecânica para reparar uma válvula com defeito natural e depois observou como o bombeamento do ventrículo mudava em resposta.

Eles dizem que o novo ventrículo direito robótico, ou RRV, pode ser usado como uma plataforma realista para estudar distúrbios do ventrículo direito e testar dispositivos e terapias destinadas a tratar esses distúrbios.

“O ventrículo direito é particularmente suscetível a disfunções em unidades de terapia intensiva, especialmente em pacientes em ventilação mecânica”, diz Manisha Singh, pós-doutorada no Instituto de Engenharia Médica e Ciência (IMES) do MIT. “O simulador RRV pode ser usado no futuro para estudar os efeitos da ventilação mecânica no ventrículo direito e desenvolver estratégias para prevenir a insuficiência cardíaca direita nesses pacientes vulneráveis.”

Singh e seus colegas relatam detalhes do novo design em um artigo de acesso aberto publicado hoje na Nature Cardiovascular Research . Seus coautores incluem a professora associada Ellen Roche, que é membro principal do IMES e chefe associada de pesquisa no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT; junto com Jean Bonnemain, Caglar Ozturk, Clara Park, Diego Quevedo-Moreno, Meagan Rowlett e Yiling Fan do MIT; Brian Ayers, do Hospital Geral de Massachusetts; Christopher Nguyen, da Clínica Cleveland; e Mossab Saeed, do Hospital Infantil de Boston.

O ventrículo direito é uma das quatro câmaras do coração, juntamente com o ventrículo esquerdo e os átrios esquerdo e direito. Das quatro câmaras, o ventrículo esquerdo é o levantador de peso, pois sua musculatura espessa e em forma de cone é construída para bombear o sangue por todo o corpo. O ventrículo direito, diz Roche, é uma “bailarina” em comparação, pois suporta uma carga mais leve, embora não menos crucial.

“O ventrículo direito bombeia sangue desoxigenado para os pulmões, por isso não precisa bombear com tanta força”, observa Roche. “É um músculo mais fino, com arquitetura e movimento mais complexos.”

Esta complexidade anatômica tornou difícil para os médicos observar e avaliar com precisão a função do ventrículo direito em pacientes com doença cardíaca.

“As ferramentas convencionais muitas vezes não conseguem capturar a intrincada mecânica e dinâmica do ventrículo direito, levando a possíveis diagnósticos errados e estratégias de tratamento inadequadas”, diz Singh.

Para melhorar a compreensão da câmara menos conhecida e acelerar o desenvolvimento de dispositivos cardíacos para tratar a sua disfunção, a equipa concebeu um modelo realista e funcional do ventrículo direito que captura as suas complexidades anatómicas e reproduz a sua função de bombeamento.  

O modelo inclui tecido cardíaco real, que a equipe optou por incorporar porque retém estruturas naturais que são complexas demais para serem reproduzidas sinteticamente.

“Existem cordas finas e minúsculas e folhetos valvares com diferentes propriedades de materiais que se movem em conjunto com o músculo do ventrículo. Tentar fundir ou imprimir essas estruturas tão delicadas é bastante desafiador”, explica Roche.

No novo estudo, a equipe relata a explantação do ventrículo direito de um porco, que trataram para preservar cuidadosamente suas estruturas internas. Eles então colocaram um envoltório de silicone em torno dele, que atuou como um miocárdio sintético macio ou revestimento muscular. Dentro desse revestimento, a equipe incorporou vários tubos longos em forma de balão, que circundavam o tecido cardíaco real, em posições que a equipe determinou por meio de modelagem computacional como ideais para reproduzir as contrações do ventrículo. Os pesquisadores conectaram cada tubo a um sistema de controle, que então configuraram para inflar e desinflar cada tubo a taxas que imitavam o ritmo e o movimento reais do coração.

Para testar sua capacidade de bombeamento, a equipe infundiu no modelo um líquido com viscosidade semelhante ao sangue. Este líquido específico também era transparente, permitindo aos engenheiros observar com uma câmera interna como as válvulas e estruturas internas respondiam à medida que o ventrículo bombeava o líquido.

Eles descobriram que o poder de bombeamento do ventrículo artificial e a função de suas estruturas internas eram semelhantes ao que observaram anteriormente em animais vivos e saudáveis, demonstrando que o modelo pode simular de forma realista a ação e a anatomia do ventrículo direito. Os pesquisadores também puderam ajustar a frequência e a potência dos tubos de bombeamento para imitar várias condições cardíacas, como batimentos cardíacos irregulares, enfraquecimento muscular e hipertensão.

“Estamos reanimando o coração, em certo sentido, e de uma forma que possamos estudar e potencialmente tratar a sua disfunção”, diz Roche.

Para mostrar que o ventrículo artificial pode ser usado para testar dispositivos cardíacos, a equipe implantou cirurgicamente dispositivos médicos em forma de anel de vários tamanhos para reparar a válvula tricúspide da câmara – uma válvula folhosa unidirecional que permite a entrada de sangue no ventrículo direito. Quando esta válvula apresenta vazamento ou está fisicamente comprometida, pode causar insuficiência cardíaca direita ou fibrilação atrial e causar sintomas como redução da capacidade de exercício, inchaço das pernas e abdômen e aumento do fígado.

Os pesquisadores manipularam cirurgicamente a válvula do ventrículo robótico para simular essa condição e, em seguida, substituíram-na implantando uma válvula mecânica ou repararam-na usando dispositivos semelhantes a anéis de diferentes tamanhos. Eles observaram qual dispositivo melhorou o fluxo de fluido do ventrículo à medida que ele continuava a bombear.

“Com sua capacidade de replicar com precisão a disfunção da válvula tricúspide, o RRV serve como campo de treinamento ideal para cirurgiões e cardiologistas intervencionistas”, diz Singh. “Eles podem praticar novas técnicas cirúrgicas para reparar ou substituir a válvula tricúspide em nosso modelo antes de realizá-las em pacientes reais.”

Atualmente, o RRV pode simular uma função realista durante alguns meses. A equipe está trabalhando para ampliar esse desempenho e permitir que o modelo funcione continuamente por períodos mais longos. Eles também estão trabalhando com projetistas de dispositivos implantáveis para testar seus protótipos no ventrículo artificial e possivelmente acelerar seu caminho até os pacientes. E olhando para um futuro distante, a Roche planeia emparelhar o RRV com um modelo funcional artificial semelhante do ventrículo esquerdo, que o grupo está atualmente a aperfeiçoar.

“Prevemos combiná-lo com o ventrículo esquerdo para criar um coração artificial totalmente sintonizável, que poderia funcionar potencialmente nas pessoas”, diz Roche. “Ainda estamos um pouco distantes, mas essa é a visão geral.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela National Science Foundation.