Divulgación de Grado de Química, UCO: Un parche cardíaco inteligente: el material que podría revolucionar el tratamiento del infarto

El infarto, una enfermedad de alto impacto

Se estima que cada año mueren millones de personas debido a enfermedades cardiovasculares. Sólo en 2022 causaron 19,8 millones de muertes en ellas mundo, es decir, casi un tercio de los fallecimientos a nivel mundial. Además, la mayoría de estas muertes se deben a infartos de miocardio y accidentes cerebrovasculares.

Quienes sobreviven a un episodio agudo pueden evolucionar hacia insuficiencia cardiaca, una condición en la que el corazón no bombea adecuadamente. Estudio recientes insisten en que, aunque la mortalidad aguda por infarto ha mejorado en algunas regiones, la carga que queda después, es decir, personas con el corazón debilitado y una dependencia de la medicación de por vida, sigue creciendo.

El problema tiene un fondo biológico: cuando ocurre un infarto, parte del tejido cardiaco, se queda sin oxígeno y muere, pero a diferencia de otros órganos, el corazón tiene una capacidad limitada de regenerarse, por lo que el área dañada queda como una cicatriz rígida, que hace que no se conduzcan bien los impulsos ni se generen contracciones del músculo de forma adecuada, esto puede generar arritmias o insuficiencia. Los tratamientos actuales, como pueden ser fármacos, stents, rehabilitación o incluso transplante, mejoran síntomas, pero no reparan realmente el tejido perdido.

En este contexto es en el que surge la ingeniería de tejidos cardíacos, es una línea de investigación que busca materiales capaces de apoyar y estimular la regeneración del corazón, reduciendo la cicatriz y recuperando su función. Dentro de este campo, los parches biodegradables son prometedores estos se colocan sobre la zona dañada, aportan un soporte, y además puede liberar, fármacos localmente. Además, cuentan con la facilidad de que después desaparecen sin necesidad de cirugía para retirarlos. Y es precisamente esto lo que propone el artículo que analizamos en esta publicación: el desarrollo de un parche cardiaco inteligente.

Figura 1. Ilustración de la aplicación del parche en ingeniería de tejidos

¿De dónde nace la idea de este estudio?

La motivación de este estudio es clara, no existe actualmente un tratamiento que regenere el tejido cardiaco muerto tras un infarto. Debido a esto, los grupos de investigación del Drug Research Program de la Universidad de Helsinki, junto con instituciones de Finlandia y Canadá, diseñaron este proyecto que une avances en polímeros biodegradables, nanomateriales funcionales y farmacología cardiaca.

Su objetivo fue crear un material que cumpliera simultáneamente con el aporte de una elasticidad, similar a la del corazón, la capacidad de conducir, señales eléctricas, una degradación controlada, un soporte para células cardiacas, y la posibilidad de liberar fármacos de forma prolongada.

Un parche como solución. ¿Qué es este material y cómo se compone?

El material desarrollado combina precisamente todos los elementos que debe cumplir un parche cardiaco para que funcionen el ser humano: ser biodegradable, bio compatible, tener elasticidad, similar al tejido cardiaco, permitir adhesión y crecimiento celular, y además debe ser capaz de transmitir señales eléctricas.

Se trata de un parche compuesto por PGS, Colágeno tipo I, polipirrol y un fármaco 3i-1000. El PGS es un polímero elastómero biodegradable, ampliamente investigado por su similitud mecánica con el tejido cardiaco. Es un material flexible resistente y se degrada de forma controlada sin generar residuos tóxicos. El colágeno tipo I Es la proteína estructural más abundante en el cuerpo humano, y un componente fundamental de la matriz extracelular en el miocardio. Su presencia en el parche hace que mejore la adhesión, supervivencia e infiltración celular. La elección de este componente se debe a que en trabajos anteriores se demostró que añadir colágeno a estructuras poliméricos, aumenta drásticamente la compatibilidad con cardiomiocitos. El polipirrol también se eligió como parte del parche, debido a que es un tejido electro activo, y presenta buena bio compatibilidad, pero puede ser frágil si se utiliza solo y por eso en este caso se mezcla con el PGS. Como último componente, este parche se carga con un pequeño fármaco, que se ha diseñado para modular, factores de transcripción cardíacos, implicados en la generación miocardiaca.

Figura 2. Ilustración del proceso de creación del parche cardíaco

Una vez se creó el material con estos requisitos, para asegurar que el parche fuese útil en un corazón real, se hicieron pruebas sobre su forma y superficie, ésta no debía ser ni demasiado lisa ni demasiado rugosa. También comprobaron su capacidad para conducir electricidad y los resultados del artículo demostraron, que es lo suficientemente conductor como para integrarse en el tejido cardiaco. Además se estudió si el parche interactuaba bien con la sangre y con las proteínas naturales del cuerpo.

En cuanto a la resistencia se realizaron pruebas para ver si el parche aguantaba, estiramientos, algo bastante relevante, teniendo en cuenta que el corazón late unas 100.000 veces al día, y también se simuló el medio en el que se encontraría dentro del cuerpo humano para observar su capacidad de degradación. La conclusión fue que este material es flexible y resistente y que se degrada de forma lenta y controlada, lo que ayuda a liberar el medicamento sin producir daños. De una forma más concreta, Se comprobó que en 21 días se degradó alrededor de un 8 %, lo que concuerda con un ritmo adecuado para una liberación prolongada

¿Qué encontraron? Resultados del parche cardíaco inteligente

Una vez diseñado los investigadores pusieron a prueba si realmente podría funcionar en un corazón real, obteniendo resultados prometedores.

El parche favorece la adhersión celular y permite que las células vivan más de un mes. Cuando colocaron células cardíacas sobre el parche, observaron que las células se pegaban adecuadamente y se distribuían por la superficie. Además, en los parches con colágeno y polipirrol, la adhesión y la infiltración fueron todavía mejores. Las células se mantuvieron vivas al menos 4 semanas, lo que resultó un indicador de biocompatibilidad. Esto implica que el parche ofrece un entorno que favorece que el tejido cardíaco crezca y se mantenga.

Al ser biodegradable, era esencial comprobar que, mientras se deshacía lentamente, no liberara moléculas dañinas. Los experimentos mostraron que tras 21 días, el parche se degradó alrededor de un 8%, coincidiendo con el ritmo previsto. Los productos de degradación no resultaron tóxicos para las células cardíacas, por lo que se concluyó que se mantenía inocuo frente al degradado.

El corazón depende de señales eléctricas para coordinar cada latido. Por eso, un parche para repararlo debe ser capaz de transmitir estos impulsos así como si fuera tejido real. En las pruebas solo los parches con suficiente polipirrol alcanzaron una conductividad adecuada, similar a la del tejido cardíaco. Esto permitiría que, una vez puesto, el parche no interfiere con el ritmo eléctrico del corazón.

Además de esto, cabe tener el cuenta que en corazón late unas 100.000 veces al día, por lo que cualquier parche ha de soportar un movimiento constante. En los ensayos mecánicos el parche mostró una elasticidad cercana a la del tejido real. Al incubarlo en codiciones similares al cuerpo, incluso aumentó su capacidad de estiramiento. Esto resulta crucial para evitar que el parche se rompa o genere rigidez en la zona afectada. Se concluyó que resiste el estiramiento del corazón y que mantiene su estructura.

El parche incorpora 3i-1000, como se ha mencionado anteriormente, que se trata de un fármaco experimental que promueve la reparación del corazón al modular factores de transcripción clave. Los experimentos demostraron que no huno "pico inicial" peligroso; lo que se traduce en que la liberación fue estable y sin sobresaltos. A las 3 semanas ya se había liberado alrededor del 20% del fármaco. La liberación continúa hasta llegar a los 80 días, gracias a la lenta degradación del material. Esto abre la puerta a terapias localizadas que actúen justo en la zona afectada, evitando efectos secundarios sistémicos.

Como colofón, el fármaco potencia la proliferación celular. Al comparar parches con y sin el medicamento las células en los parches cargados proliferaron más. Esto sugiere que el fármaco podría impulsar la reparación del tejido cardíaco dañado.

Un paso más cerca de los parches cardíacos regenerativos

Este estudio demuestra que combinar materiales biodegradables, polímeros conductores, proteínas naturales y un fármaco regenerativo puede dar lugar a un parche "inteligente" capaz de adherirse al tejido cardíaco, integrarse en su actividad eléctrica, liberar medicación durante un amplio espacio de tiempo de forma lenta y prolongada, permitir el crecimiento y supervivencia de las células y degradarse de forma segura, sin cirugía adicional ni interferir con la salud del usuario.

Aunque aún está lejos de aplicarse en humanos, este tipo de desarrollos acerca la idea de que, en el futuro a corto-medio plazo, un infarto podría tratarse no solo estabilizando el corazón, sino reparando realmente el tejido dañado.