El ascenso del corazón gemelo virtual es rápido. Los investigadores quieren practicar operaciones con esto, por ejemplo. «Un nuevo procedimiento se puede probar mil veces en un corazón de computadora».
Un paciente acude al médico. Le falta aire, tiene dolor en el pecho y se cansa fácilmente. Está muy mal, el cardiólogo le dice al hombre que sufre de insuficiencia cardíaca. Incluso necesita una nueva válvula cardíaca. Se obtienen imágenes de su corazón mediante una ecografía.
Cuando el paciente regresa a la consulta para discutir la operación, el cardiólogo gira repentinamente la pantalla del ordenador hacia él. El paciente parpadea brevemente.
Porque allí, en esa pantalla, ve latir su propio corazón. A partir de las imágenes ecográficas, el ordenador ha calculado cómo funciona y responde su corazón específico. Podrías llamarlo su corazón gemelo. Los ventrículos y las aurículas se contraen como sólo ocurre en el corazón. En esa copia virtual, el médico probó tipos y tamaños de válvulas para ver cómo respondería su corazón en el futuro. La válvula que produce mejores resultados se coloca en su corazón una semana después.
Predecir la progresión de la enfermedad
De momento, las cosas no van así en el consultorio. Pero eso no durará mucho, porque la investigación sobre copias virtuales de corazones avanza rápidamente.
No sorprende que los investigadores y las empresas del mundo médico sigan adelante. Los modelos no sólo sirven para seleccionar la válvula cardíaca que se ajuste perfectamente. Considere también probar medicamentos o predecir la progresión de la enfermedad acelerando el desarrollo de dichas copias.
Mientras tanto, el auge de estos modelos informáticos también plantea interrogantes. Porque: ¿qué tan precisas son las copias y cómo las usarán los médicos? Nadie quiere un modelo que haga una predicción incorrecta sobre la que un cardiólogo base un juicio.
Corazones palpitantes
El belga Mathias Peirlinck lleva once años trabajando como ingeniero biomecánico en el modelado de corazones y todavía se sorprende cada día de lo ingenioso que es. Considere la forma en que el corazón bombea sangre desde los ventrículos. “El corazón gira un poco y se contrae al mismo tiempo, como escurrir una toalla mojada. Ese movimiento giratorio es simplemente muy eficiente”. Toma dos botellas de agua, dice, y vacíalas, entonces la botella que giras también se vaciará más rápido.
Peirlinck tiene su propio laboratorio en Delft, Países Bajos, desde hace tres años. No una sala llena de campanas y silbatos, máquinas gigantescas o equipos de investigación. Generalmente no lo necesita, porque su herramienta principal es la computadora. Sus colegas trabajan en oficinas blancas y desnudas en la facultad de ingeniería mecánica de la Universidad Técnica de Delft. De vez en cuando, Peirlinck muestra imágenes de corazones palpitantes en la pantalla de su ordenador.
Cualquiera que lea sobre el funcionamiento del corazón en cualquier libro de biología podría pensar que sabemos exactamente cómo funciona. Cualquiera que hable con Peirlinck durante un tiempo lo dudará. Todavía está lejos de entenderse cómo se conectan y comunican las células del tejido cardíaco, afirma. Así como tampoco conocemos bien la resistencia mecánica del tejido. También se encuentran todavía en desarrollo investigaciones sobre cómo los estímulos eléctricos estimulan el ritmo cardíaco a través de una red de células.
Como ingeniero, Peirlinck quiere, en última instancia, comprender cómo se enferma el corazón y cómo evoluciona el tejido cardíaco con el tiempo. Por ejemplo, los corazones empiezan a fallar si la presión arterial está alta durante mucho tiempo, explica. En respuesta a esa presión sanguínea, la pared se vuelve más gruesa, porque el corazón quiere poder manejar mejor esa fuerza. “Esa es la respuesta biomecánica a la sobrecarga. Pero con el tiempo la fuerza de bombeo disminuye y al corazón le resulta cada vez más difícil hacer su trabajo”.
No está claro cómo se induce que esta pared se endurezca a nivel celular. Por lo tanto, Peirlinck quiere comprender qué fuerzas mecánicas actúan. Para ello, en ocasiones utiliza estudios sobre tejido cardíaco sano y enfermo que han realizado previamente otros científicos. Se tiraron trozos de tejido cardíaco en diferentes direcciones y se midieron las fuerzas. «Entonces queremos entender la relación entre las fuerzas y la deformación del tejido: eso es la mecánica».
Poder computacional
Sin embargo, toca muy poco tejido cardíaco y su trabajo está en gran medida controlado por computadora. No hay otra manera, afirma, porque la mayoría de las fuerzas no pueden verse ni medirse, sólo calcularse. «Para calcular todas las fuerzas en un órgano vivo, con innumerables células musculares que se comportan e interactúan de manera diferente, se necesita la potencia informática de una computadora». Peirlinck resume el funcionamiento de miles de pequeños trozos de tejido en ecuaciones matemáticas que luego calcula.
Lo hace basándose en el conocimiento biológico, electrofisiológico y mecánico que recopila experimentalmente sobre ese tejido. Trabajo de monje.
Antes de que una copia virtual pueda mapear completamente un corazón humano desde el nivel de célula hasta el de órgano, aún quedan muchos cálculos por hacer. Pero para muchas aplicaciones no es necesario entender completamente el corazón, afirma Peirlinck. Por ejemplo, para probar una nueva válvula cardíaca, también bastará con un modelo algo más sencillo. Luego, las computadoras utilizan información de una ecografía, una tomografía computarizada o una resonancia magnética para crear un modelo. «Hacemos que esto sea prácticamente correcto basándonos en nuestro conocimiento experimental y principios de la física».
Modelo personalizado
Estas copias digitales no pueden denominarse modelos 3D, afirma Peirlinck, porque van un paso más allá. Es más bien 4D, porque se ha añadido una cuarta dimensión. El modelo es dinámico y puede, por ejemplo, lavarse para estudiar la deformación del corazón a lo largo del tiempo.
“Precisamente por eso, el modelo puede predecir cómo responderá el corazón al tratamiento o a un determinado tipo de válvula cardíaca. Cada corazón es diferente, por lo que aporta mucho si un médico puede, por ejemplo, probar válvulas en un modelo personalizado. Una válvula es demasiado estrecha y la otra ejerce demasiada tensión sobre el tejido. Hay una diferencia real”.
Pero su equipo no sólo trabaja en el clon digital definitivo, con el que podrán responder preguntas fundamentales sobre el corazón, sino también en modelos que puedan utilizarse más rápidamente en la práctica. Por ejemplo, muestra un corazón latiendo en el ordenador con un cable de marcapasos enrollado en su interior. En algunos pacientes, el cable se rompe después de un tiempo, lo que hace que el dispositivo deje de funcionar. El equipo puede usar la computadora para probar cuál es la causa. Luego puede realizar pruebas virtuales con materiales de diferente espesor o rigidez para ver cómo el cable podría durar más.
Los médicos pueden, por ejemplo, utilizar otros modelos para probar operaciones. Luego pueden, por así decirlo, ejecutar «vueltas de prueba» en la computadora antes de comenzar la operación real.
papel del medico
Un modelo así nunca debería asumir el papel de toma de decisiones del médico, afirma Peirlinck. Destaca que los modelos deben verse como datos adicionales que permitan al médico tomar una mejor decisión. «Y todos los modelos deben primero validarse demostrando su eficacia en la investigación científica».
Incluso entonces, a estos modelos no se les permite simplemente entrar en la sala de consulta, afirma. Para ello existen amplios procedimientos y directrices de seguridad europeos e internacionales.
Por otro lado, afirma Peirlinck, los modelos también reducen los riesgos. “Nadie muere cuando falla el corazón de la computadora. Puedes probar un nuevo procedimiento mil veces en un corazón computarizado o probar diez válvulas cardíacas diferentes”. Los efectos secundarios de un medicamento también pueden comprobarse de forma más segura mediante un corazón informático que mediante un paciente vivo.
«Espero especialmente que podamos trabajar de forma cada vez más personalizada», afirma Peirlinck. “Los médicos ahora tienen que tomar decisiones de tratamiento basadas en estudios realizados en cien personas. Y esos resultados luego se generalizan a toda la población. También hay riesgos involucrados. Al utilizar un modelo individual de cada corazón, puedes tomar una decisión que se ajuste mucho mejor a ese corazón único”.
Peirlinck continúa desconcertando para hacer disponibles las copias más precisas de todos esos corazones únicos. Y como muchos científicos antes que él, primero debe intentar comprender cuán increíblemente inteligente es la naturaleza. «Aún no hemos desarrollado una sola bomba que funcione tan eficientemente y durante tanto tiempo como el propio corazón humano».
El efecto de un marcapasos
Los investigadores de Maastricht también están trabajando en la construcción de un corazón digital. Su modelo demostró recientemente que predice con éxito si el tratamiento con marcapasos es eficaz.
En el estudio participaron 45 pacientes con insuficiencia cardíaca. Para cada uno de ellos se hizo una copia digital del corazón, explica Joost Lumens. Es profesor de tecnología biomédica y dirigió el estudio. “Nuestro modelo es algo más tosco que el modelo que se construye en Delft. Una ventaja de esto es que puede crear rápidamente un modelo personalizado de la función de la bomba, basado en imágenes de ultrasonido y datos médicos”.
Los 45 pacientes padecían insuficiencia cardíaca con un trastorno de la conducción de la señal eléctrica del corazón. Un marcapasos podría solucionar eso, pero no funciona en todos los casos, afirma Lumens. “Muchos pacientes ya tienen un músculo cardíaco débil. Y luego puedes estimular, pero ese músculo no responde bien”. El modelo digital puede calcular las propiedades de ese músculo, qué tan fuerte o débil es.
Los 45 pacientes recibieron el marcapasos de acuerdo con las directrices. Los resultados del tratamiento se compararon con las predicciones del modelo. Y resultaron ser muy similares.
En el futuro también se podrá predecir el ajuste óptimo del marcapasos. Aunque todavía no está permitido ajustar el tratamiento basándose en la predicción de un corazón gemelo digital. Lumens: «Las pautas clínicas deben cambiar para esto».
El suave corazón del robot
La insuficiencia cardíaca se puede tratar con medicamentos y cirugía, pero a veces un trasplante de corazón es la única cura para los casos más graves. Sin embargo, todavía hay una gran escasez de corazones de donantes. Y es por eso que los investigadores están ocupados construyendo alternativas artificiales al corazón humano, como el corazón de apoyo temporal.
El año pasado, el consorcio Holland Hybrid Heart recibió 10 millones de euros de la Agenda Científica Nacional para construir otra alternativa temporal para las personas en la lista de trasplantes: un corazón robótico con paredes blandas. «Si se quiere construir una nueva bomba cardíaca, no se pueden utilizar materiales duros, ya que no se combinan bien con el flujo sanguíneo», afirma Mathias Peirlinck, que también utiliza sus conocimientos sobre el funcionamiento del corazón para esta investigación. «Los clones digitales también son interesantes para esta investigación: podemos probar prototipos virtualmente y calcular cómo funcionarían en un cuerpo real».
La investigación está dirigida por la cirujana cardiotorácica Jolanda Kluin de Erasmus MC, y se ha fijado el objetivo: introducir un corazón robótico blando en un plazo de diez años como una alternativa útil a los trasplantes de corazón con corazones de donantes.