Todo comenzó cuando Carlos Salazar Vargas, especialista de cirugía cardíaca y de tórax, tocó la puerta del Laboratorio de Simulación Biológica (Sibila) de la Escuela de Ingeniería en Mecatrónica del Instituto Tecnológico de Costa Rica, en Cartago.

Su petición era un reto en sí mismo: la necesidad de crear un sustituto de una válvula cardíaca que pudiera bombear la sangre de pacientes con un corazón ya muy debilitado por alguna enfermedad y que requirieran de un trasplante.

Estos pacientes son muy especiales. Muchos no pueden esperar mucho tiempo por un trasplante, y conseguirlo no es tan fácil, no solo se trata de tener un órgano disponible, si no que sea compatible con quien tiene la enfermedad. Aunque no son muchísimas las personas que requieren un trasplante, este procedimiento sí es decisivo para sus vidas.

Solo en lo que va del año, cinco costarricenses han recibido un corazón, según datos de la Caja Costarricense de Seguro Social (CCSS). Lo ideal es que la espera no sea de más de seis meses.

Si existiera un dispositivo que pudiera ayudarles a los pacientes a bombear la sangre (una especie de “bomba”, como las bombas de agua), esto podría alargar su expectativa de vida en lo que consiguen un trasplante.

La petición era diseñar algo que pudiera la persona utilizar como una asistencia temporal que sirviera de una especie de “puente” mientras aparecía un donante. No pidió un corazón artificial, si no un “aliado” para que el corazón lata y pueda extenderse la vida del paciente en su espera.

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De acuerdo con datos que Salazar le suministró al equipo, si se logra extender seis meses la vida de estos pacientes, la posibilidad de encontrar un donante se multiplica por cuatro.

“El doctor nos pidió tenerlo listo en seis meses. Eso fue hace nueve años. Y todavía nos falta mucho. No estamos ni siquiera cerca. Tal vez faltan unos tres o cuatro años para comenzar a hacer pruebas en animales. La ciencia, si se quieren resultados buenos, es algo que toma su rato. Y en este caso no podemos darle algo de baja calidad a personas en esas condiciones”, recalcó Marta Eugenia Vílchez, una de las investigadoras, quien añade que se matriculó desde un inicio en el proyecto porque cree en el bien que puede darle esto a muchas personas.

Gabriela Ortiz, también profesora de ingeniería en mecatrónica e investigadora del proyecto añade: “No estamos intentando copia ni generar nada a partir de algo ya hecho. Buscamos crear un dispositivo completamente tico, con todas las fases del proceso. Y esto toma su tiempo”.

“Hay personas que nos han dicho que ellos se sacrifican a utilizarlo, que no tienen nada que perder, pero no podemos hacerlo. La ciencia no funciona así, no podemos arriesgarnos”, agregó Vílchez.

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Entender el cuerpo humano

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El equipo, formado por físicos, ingenieros en mecatrónica, ingenieros en electrónica, entre otros, debía empezar por algo muy básico: entender cómo funciona, no solo el corazón, si no todo el sistema circulatorio.

“En un inicio, yo todo lo que sabía era que el corazón estaba en el pecho y bombeaba sangre… y que yo lo necesitaba para estar vivo. Tuvimos que comenzar de cero a aprender sus partes y cómo funcionan”, recordó Juan Luis Crespo, del Laboratorio de Inteligencia Artificial para las Ciencias Naturales (Liana), también del Instituto Tecnológico y quien llegó a trabajar en el proyecto hace seis años.

Al ser ingenieros o especialistas en ciencias básicas, primero entendieron la circulación como un sistema y un proceso, para a partir de ahí, pensar cómo emularlo en un modelo.

“No podemos tener a una persona y decirle, ‘vamos a causarte una insuficiencia cardíaca’ para ver cómo se comporta tu sistema circulatorio', entonces, una vez que entendimos el funcionamiento había que poner un modelo a funcionar”, destacó Crespo.

Fue así como pusieron manos a la obra y crearon un modelo de un circuito hidromecánico. Este tiene el tamaño de una mesa, y en él se puede ver cómo funciona el sistema circulatorio de un hombre de 35 años.

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El modelo puede “envejecerse” hasta los 60 años y se le pueden provocar dos enfermedades para ver cómo se diferencia el comportamiento de estas a diferentes edades. Estas enfermedades son la insuficiencia sistólica –la que se da cuando el miocardio (músculo del corazón) no puede bombear (expulsar) bien la sangre del corazón– y la insuficiencia diastólica –miocardio está rígido y no se llena de sangre fácilmente–.

Así, los investigadores pueden ver qué le pasa al corazón y a las venas y arterias en estas condiciones.

“No podemos equipararlo a una mujer –todavía–, las características son muy diferentes”, explicó Ortiz.

Para emular de mejor forma la circulación humana, los científicos utilizan un líquido con las mismas características mecánicas de la sangre. La densidad y la viscocidad es la misma que presenta nuestro líquido vital, lo que hace que los resultados sean mucho más fieles.

Este sistema recibió el Premio Nacional en Ingeniería Electrónica 2017. También, el proyecto fue uno de los que se presentó durante la Conferencia Internacional IWOBI (Conferencia y Taller Internacional de Inteligencia Bioinspirada, por sus siglas en inglés), que se realizó la semana anterior en San José y en San Carlos (Alajuela).

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Matemática para buscar mejores resultados

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Mientras se desarrollaba el modelo del sistema, los científicos también se dedicaron a ver cuáles modelos matemáticos podían ayudarles para determinar mejor las características del dispositivo (materiales, tamaño, dimensiones, etc). Construir esta estructura matemática tomó seis años.

“El modelo matemático nos da una guía más clara de dónde ir y no estar haciendo intentos de prueba y error. Para eso utilizamos matemática de fluidos, para ver cómo reacciona el líquido (con las características de la sangre) con la estructura (del dispositivo)”, expresó Ortiz.

Crespo agrega: “se tienen tantas variables que las posibilidades para crear prototipos se multiplican muchísimo, por eso debemos estar seguros de cómo trabajarlo y los modelos matemáticos nos ayudan en eso”.

En este momento se trabaja con el impulsor, que tiene una parte vital en el desarrollo de este sustituto de válvula. Se trata de una carcaza cilíndrica por donde va a entrar la sangre, esta va a girar y luego salir.

Pero no puede hacerse de cualquier forma. Por ejemplo, si esta carcaza tuviera un eje (como es usual en muchas “bombas”) esto podría golpear la sangre y entre más golpes se lleve esta, más se afectaría. Es por ello que buscan cómo hacer que gire sin necesidad de eje, para lo que prueban distintos materiales e incluso distintos tipos de imán.

“La sangre es un tejido vivo y por eso hay que tratarlo con respeto. Tiene características especiales que debemos respetar. Si la ponemos a girar muy rápido o muy lento, esta va a coagularse. Si encontramos cómo dañar la sangre lo menos posible, pues es difícil evitarlo del todo, vamos a mejorar la vida del paciente", apuntó Vilchez.

Los científicos trabajan en el desarrollo de una “mini planta” para imitar cómo sería la entrada y la salida de la sangre del dipositivo. En ella se probarían prototipos diseñados según las indicaciones de los modelos matemáticos.

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¿Qué sigue?

¿Cuáles son los próximos pasos? La respuesta de todos los científicos entrevistados es definitiva: mucho trabajo. Solo con este trabajo se podrán tener los mejores prototipos para en unos años comenzar pruebas en animales, un paso vital antes de realizar pruebas en seres humanos.

Los científicos concuerdan en que lo más probable es que aún deban pasar tres o cuatro años de trabajo antes de hacer las primeras experimentaciones en modelos animales.

No hay forma de saber cuándo podrán llegar estas pruebas a las personas, pues deben estudiarse y medirse muchísimos aspectos, y también las pruebas en animales dictarán posibles ajustes.

No obstante, con los resultados obtenidos hasta hoy, los científicos se muestran esperanzados en que en algún momento las personas puedan obtener una respuesta ante la insuficiencia cardíaca y no mueran a la espera de un donante que les de un corazón compatible con ellos. Un dispositivo que tendrá un sello 100% costarricense y podría ser la diferencia en personas que no tienen otra opción.

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Ciencia colaborativa

De este esfuerzo han participado varios científicos y estudiantes de grado, maestría y doctorado que han realizado sus proyectos de graduación. En este momento, siete estudiantes también laboran en el proyecto, que también cuenta con la cooperación del Laboratorio de Investigación en Reconocimiento de Patrones y Sistemas Inteligentes (Pris Lab) de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica (UCR) y del Colaboratorio Nacional de Computación Avanzada (CNCA).

“Esto es parte de lo bonito de este proyecto, no solo somos un proyecto colaborativo, también somos una ‘fábrica de profesionales’, muchos jóvenes desarrollan aquí sus proyectos y esto les abre puertas”, aseguró Crespo.

Giancarlo Rodríguez, estudiante avanzado de ingeniería en mecatrónica, destaca que este laboratorio le da una oportunidad de aprender de forma práctica y le da herramientas para su futuro profesional.

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