El hidrogel bioinspirado protege el corazón de las adherencias postoperatorias

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Un hidrogel que forma una barrera para evitar que el tejido cardíaco se adhiera al tejido circundante después de la cirugía ha sido desarrollado y probado con éxito en roedores por un equipo de investigadores de la Universidad de California en San Diego. El equipo de ingenieros, científicos y médicos también realizó un estudio piloto sobre corazones de cerdo, con resultados prometedores.

Describen su trabajo en la edición del 18 de junio de 2021 de Comunicaciones de la naturaleza.

En ratas, el hidrogel evitó por completo la formación de adherencias. En un pequeño estudio piloto, los corazones de los cerdos tratados con el hidrogel mostraron adherencias menos severas que fueron más fáciles de eliminar. Además, el hidrogel no pareció causar inflamación crónica.

Las adherencias (tejido orgánico que se adhiere al tejido circundante) son un problema relativamente común cuando los cirujanos tienen que operar en el mismo sitio nuevamente, lo que ocurre en el 20% de los casos cada año en la cirugía cardíaca. Las reoperaciones son particularmente comunes cuando los pacientes son niños con malformaciones cardíacas: a medida que el corazón del niño crece, se necesitan más intervenciones.

Las adherencias se forman dentro de los primeros 30 días posoperatorios y pueden complicar las operaciones y aumentar el riesgo de mortalidad durante la cirugía. En algunos casos, también pueden interferir con la función cardíaca adecuada o evitar por completo la repetición de la cirugía. Uno de los autores principales del artículo, Karen Christman, profesora de bioingeniería de la Universidad de San Diego, experimentó esto cuando uno de sus tíos no pudo reparar una válvula cardíaca debido a adherencias severas.

“Nuestro trabajo es una solución de ingeniería impulsada por un problema médico”, dijo Christman, cofundador de una empresa, Karios Technologies, para llevar el hidrogel a la clínica. “Y ahora está preparada para mejorar significativamente la cirugía cardíaca, tanto para adultos como para niños”.

El trabajo reunió no solo a bioingenieros y médicos, sino también a químicos y científicos de materiales.

En los centros médicos académicos como UC San Diego, la mayoría de los cirujanos realizan operaciones repetidas y experimentan adherencias con bastante regularidad. En este estudio, en ratas, el 70% de los animales del grupo de control desarrollaron adherencias severas.

Actualmente no se comercializan productos aprobados por la FDA para prevenir adherencias después de una cirugía cardíaca. “Este producto tendrá un impacto significativo en la vida de muchos pacientes que potencialmente requieren operaciones repetidas, tanto en el corazón como en cualquier otra parte del cuerpo”, dijo el Dr. Michael M. Madani, presidente de la División de Cirugía Cardiovascular y Torácica de UC. San Diego Health es uno de los coautores del artículo.

Como se hizo

Por el contrario, el hidrogel desarrollado por bioingenieros en el laboratorio de Christman está diseñado específicamente para satisfacer las necesidades tanto de pacientes como de cirujanos. Es pulverizable, por lo que es fácil de aplicar. Una vez que se rocía sobre el tejido, se adhiere al músculo cardíaco y se transforma en una capa suave y elástica que crea una barrera protectora al tiempo que permite el movimiento. El gel se puede quitar fácilmente de los tejidos y se disuelve después de más de cuatro a seis semanas.

El mayor desafío fue asegurarse de que el hidrogel se adhiera con suficiente fuerza al corazón pero no se hinche, ya que la hinchazón puede ejercer una presión peligrosa sobre el corazón. Christman y el equipo utilizaron la denominada química de entrecruzamiento, que consiste en unir dos moléculas con un enlace covalente, para lograrlo. Masaki Fujita, el primer autor del artículo y científico visitante del Departamento de Bioingeniería de la UC San Diego, tuvo la idea de usar un compuesto conocido como catecol, similar al que usan los mejillones para adherirse a las rocas. el hidrogel permaneció en su lugar en el corazón.

El catecol contiene un aminoácido, L-DOPA, que es una proteína que une los músculos. En este caso, se añadió a la base del gel un polímero soluble en agua conocido como PEG. El resultado es un hidrogel que se adhiere al órgano al que se aplica, pero luego crea una barrera protectora que dura al menos hasta cuatro semanas antes de disolverse. En ese punto, es menos probable que se formen adherencias. Según el conocimiento de los investigadores, esta es la primera vez que se utiliza este tipo de formulación para prevenir adherencias después de la cirugía.

Dispositivo de pulverización

Los investigadores también diseñaron un dispositivo para rociar de forma segura y precisa el hidrogel dentro del área donde se realiza la cirugía a corazón abierto. El dispositivo aloja los dos componentes principales del hidrogel en dos cámaras diferentes. Cada componente está formado por PEG con diferentes grupos reactivos que se entrecruzan para formar el hidrogel. Una de las soluciones también incluye PEG modificado con catecol para garantizar que permanezca en el corazón. Los dos se mezclan a medida que salen del dispositivo, formando un gel. El proceso es similar a usar dos latas de pintura en aerosol, como azul y amarillo, para crear un tercer color, verde.

Próximos pasos y una imagen más amplia

El siguiente paso es hacer una prueba a gran escala en cerdos para refinar el ensayo y examinar cómo se une el hidrogel a las suturas y drenajes. El objetivo final es realizar un estudio pediátrico en humanos en un período de 18 meses a dos años y llevar el producto a la FDA para su aprobación en cinco años.

Karios Technologies está licenciando la tecnología a UC San Diego. “Queremos comentarios de los cirujanos”, dijo Gregory, director ejecutivo de Karios Technologies. “Diseñamos este material específicamente para su uso en el corazón y para que el cirujano lo use”.

La tecnología podría traducirse fácilmente en otros órganos que también requieran más operaciones y sean susceptibles a las adherencias, dijeron los investigadores.

El trabajo fue financiado por el National Heart, Lung and Blood Institute a través del UC Center for Accelerated Innovation y el National Center for Advancing Translational Sciences a través del UC San Diego Center for Clinical and Translational Research Institute.

Christman cofundó y tiene una participación en Karios Technologies, una startup que tiene como objetivo comercializar la tecnología de hidrogel. El Dr. Madani es consultor de la empresa. Christman, Fujita y Madani son inventores de patentes y solicitudes de patentes relacionadas con el trabajo.

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