La simulación por ordenador aborda el problema de la coagulación de la sangre
Crear un riñón artificial implantable sería un avance épico en la medicina y podría solucionar la escasez crónica de riñones de donantes necesarios para el trasplante. Los investigadores llevan 15 años en esta búsqueda y siguen topándose con un problema extremadamente complicado: cómo mantener la sangre fluyendo sin problemas a través del dispositivo artificial sin que se coagule. En estos dispositivos, como las plaquetas de la sangre responden a las fuerzas mecánicas, tienen una tendencia natural a coagularse, lo que provoca un mal funcionamiento del dispositivo.
Para superar este problema, los receptores de los premios Quantum del Instituto Nacional de Imagen Biomédica y Bioingeniería (NIBIB) combinaron una experiencia poco común en el desarrollo de riñones artificiales y en la simulación por ordenador del flujo sanguíneo, en un estudio que aparece en el número avanzado en línea del 16 de enero de 2018 de la revista Journal of Biomechanics.
Aunque la diálisis salva miles, si no millones, de vidas cada año, no es una solución ideal para la enfermedad renal. En lugar de la filtración continua de la sangre, que mantiene la química sanguínea dentro de un rango saludable, la diálisis da lugar a una sangre ultralimpia y carente de nutrientes, que se vuelve gradualmente más tóxica hasta el siguiente tratamiento de diálisis.
Lo que hacen los riñones-
Los riñones extraen las toxinas de la sangre y mantienen el equilibrio de líquidos en el cuerpo mediante la excreción de orina. También fabrican hormonas para regular la presión arterial, promover la producción de glóbulos rojos y favorecer la salud de los huesos.
Cuando los riñones fallan-
Las enfermedades renales pueden provocar el fallo de los riñones y la acumulación de toxinas en la sangre. La insuficiencia renal afecta a más de 660.000 personas al año en Estados Unidos y contribuye a 89.000 muertes.
Algunas personas con insuficiencia renal tienen la suerte de recibir un riñón de un donante trasplantado. De las 100.000 personas que están cada año en lista de espera para un trasplante, sólo 18.000 reciben un riñón de un donante. Una medida provisional para los pacientes en estas condiciones de riesgo vital es la diálisis, una forma de procesar la sangre a través de un sistema de filtración externo.
«Como saben muy bien los desarrolladores de esta tecnología, es especialmente frustrante enfrentarse a los coágulos sanguíneos, que pueden tanto obstruir el dispositivo, haciéndolo inútil, como causar peligros en otras partes del cuerpo donde el flujo sanguíneo se vería comprometido», dijo Rosemarie Hunziker, directora del programa de Ingeniería de Tejidos y Medicina Regenerativa del NIBIB. «Un coágulo que migre al corazón podría provocar un infarto; podría causar un derrame cerebral si viajara al cerebro».
El riñón artificial implantable -un dispositivo de bioingeniería que combina un filtro de silicio de alta eficiencia y un biorreactor de células tubulares renales- ha sido un proyecto a largo plazo para los coautores del estudio, el doctor Shuvo Roy, profesor de bioingeniería y ciencias terapéuticas de la Universidad de California, San Francisco (UCSF), y William H. Fissell, IV, M.D., profesor asociado de medicina de la Universidad de Vanderbilt.
El dispositivo experimental está diseñado para albergar hasta un litro de sangre por minuto, filtrándola a través de un conjunto de membranas de silicona. El fluido filtrado contiene toxinas, agua, electrolitos y azúcares. A continuación, el líquido se somete a una segunda fase de procesamiento en un biorreactor de células cultivadas en laboratorio del tipo que normalmente recubre los túbulos del riñón. Estas células reabsorben la mayor parte de los azúcares, las sales y el agua y los devuelven al torrente sanguíneo. El resto se convierte en orina que se dirige a la vejiga y sale del cuerpo.
Mucha de la tecnología para implementar este complejo proceso ya existe, parte de ella desarrollada por Roy y Fissell bajo la financiación previa del programa NIBIB Quantum Award. Uno de los retos pendientes es que los investigadores integren las distintas innovaciones en un dispositivo funcional y compacto -y, por tanto, implantable-.
En el trabajo recién publicado, el equipo de la UCSF-Vanderbilt colaboró con el coautor Danny Bluestein, doctor y profesor de ingeniería biomédica de la Universidad Estatal de Nueva York, en Stony Brook, que también es beneficiario del Premio Quantum. En 2010, el NIBIB concedió al laboratorio de Bluestein una subvención para estudiar la tromboresistencia, es decir, la prevención de la coagulación en la sangre circulante. El grupo de Bluestein utilizó la técnica para estudiar dispositivos de implantes cardiovasculares, como las válvulas cardíacas artificiales, así como el dispositivo utilizado en la cirugía cuando se puentea temporalmente la circulación cardíaca.
Roy y Fissell conocieron por primera vez la metodología de Bluestein, denominada emulación de trombogenicidad de dispositivos (DTE), en una reunión celebrada en 2014 en el NIBIB para becarios del Premio Quantum. La metodología DTE de Bluestein cuantifica los patrones de flujo y los factores de tensión que se desarrollan durante el flujo sanguíneo. Durante la descripción de Bluestein de la DTE, Roy y Fissell vieron inmediatamente el potencial de aplicar sus teorías a su diseño de riñón artificial. Una simulación informática adecuada podría restar años o incluso décadas al proceso de diseño del riñón artificial y producir un dispositivo con un perfil de seguridad bien analizado y probado para la activación de las plaquetas y la posterior formación de coágulos.
«Las plaquetas se activan e inician la coagulación de la sangre en respuesta a la gravedad de las fuerzas de estrés, así como a la cantidad de tiempo que las plaquetas circulan por el dispositivo», dijo Bluestein. La metodología de simulación de Bluestein -desarrollada por primera vez para predecir numéricamente la acumulación de tensión en las plaquetas dentro de los dispositivos que soportan la circulación en pacientes con insuficiencia cardíaca- se adaptó fácilmente a los aspectos de dinámica de fluidos del riñón artificial.
Los investigadores generaron resultados de simulación y optimización para dos diseños de dispositivos que canalizan cada uno la sangre a través del sistema de filtro del riñón artificial. Mediante la simulación, calcularon que una plaqueta individual puede fluir a través del riñón artificial hasta 1.000 veces, acumulando tensión y aumentando la tendencia a coagularse con cada pasada. Un diseño distribuye la sangre a través de canales paralelos que pasan por múltiples capas de membranas filtrantes. El otro canaliza la sangre de un lado a otro a través de un único recorrido en forma de serpentina.
Los resultados de la simulación se inclinaron a favor del sistema de flujo paralelo, sobre todo en lo que respecta al estado de las plaquetas de la sangre tras la circulación repetida dentro de los sistemas de filtración. Sin embargo, ambos diseños cumplían los criterios predeterminados por los investigadores en cuanto al flujo uniforme de la sangre a través de los dispositivos y la acumulación de fuerzas de cizallamiento en las plaquetas contra las paredes de los canales de flujo del dispositivo. Por tanto, los investigadores tienen previsto probar ambos diseños de implante en experimentos prospectivos en cerdos. En el futuro podrían probarse otros diseños.
«Me alegro de que hayan decidido adoptar nuestra metodología, para poder demostrar su eficacia en un tipo de dispositivo muy diferente», dijo Bluestein. «La coagulación de la sangre es el principal problema clínico que puede producirse debido a las tensiones inducidas por el flujo que existen en todos estos dispositivos.»
El enfoque de simulación ha acelerado el proyecto al ahorrar en la experimentación con animales y ofrecer una alternativa viable para examinar los pros y los contras de los diferentes dispositivos que entran en contacto con la sangre. «Hacer eso en estudios con animales lleva mucho tiempo, es caro y, en cierto nivel, nunca se sabe si va a funcionar, porque la sangre de los animales no es la misma que la de los humanos», dijo Roy. «Acabamos aprovechando el amplio conjunto de trabajos realizados por el Dr. Bluestein y sus colegas y aplicamos metodologías en dinámica de fluidos computacional para ayudarnos a analizar nuestros diseños.»
¿El dispositivo tendrá todas las funciones de un riñón nativo? «No», dijo Roy. «Pero el objetivo es que realice las funciones que son críticas y que sea un dispositivo que, una vez implantado, permita al paciente comer y beber libremente, tener movilidad, una mejor salud en general y, a diferencia de un trasplante, no necesitar medicamentos inmunosupresores.»
Hunziker aplaudió la colaboración entre los receptores del Premio Quantum del NIBIB, un programa para aportar nuevas tecnologías a los grandes problemas intratables de la medicina. «Ver cómo equipos financiados de forma independiente se autoconvocan para aprovechar sus innovaciones cuánticas es extremadamente gratificante», dijo. «La colaboración permite acelerar el desarrollo del riñón artificial a través de una modelización predictiva eficaz, combinada con una capacidad minuciosa de manipulación de biomateriales y un conocimiento profundo de la fisiopatología del riñón».»
El estudio contó con el apoyo parcial del NIBIB (EB014315, EB012487 y EB021214).
Análisis de acumulación de estrés plaquetario para predecir la trombogenicidad de un riñón artificial. Buck AKW, Goebel SG, Goodin MS, Wright NJ, Groszek JJ, Moyer J, Singh S, Bluestein D, Fissell WH, Roy S. J Biomech. 2018 Jan 16.