Nota de aplicación | ElastoSens™ Bio
Medición de las propiedades mecánicas del tejido cardíaco con ElastoSens™ Bio
Introducción
La capacidad del corazón para bombear sangre no solo depende de su actividad eléctrica, sino también de las propiedades mecánicas de su tejido. Estas propiedades —que van desde la elasticidad hasta la rigidez y la viscoelasticidad— determinan cómo se estira, se contrae y se relaja el miocardio a lo largo del ciclo cardíaco. Los cambios sutiles en estas características mecánicas pueden indicar una enfermedad en fase inicial, mientras que las alteraciones más pronunciadas afectan a la capacidad del corazón para llenarse de sangre y expulsarla. Al estudiarlas, los científicos y los médicos pueden entender mejor cómo funciona un corazón sano, detectar los primeros signos de enfermedad y diseñar tratamientos que restauren o mantengan su funcionamiento.
Propiedades mecánicas clave del corazón
Elasticidad
La elasticidad refleja la capacidad del miocardio para recuperar su forma original tras una deformación. Es fundamental para el llenado diastólico, ya que permite que los ventrículos acojan la sangre que entra y luego se recuperen de forma eficaz para la siguiente contracción.
Rigidez
La rigidez es la resistencia a la deformación, que suele cuantificarse mediante parámetros como el módulo de elasticidad o las relaciones presión-volumen. Varía dinámicamente a lo largo del ciclo cardíaco, siendo menor durante la diástole y mayor durante la sístole.
Cumplimiento normativo
La distensibilidad, que es lo contrario de la rigidez, describe la capacidad del corazón para expandirse cuando se llena. Una distensibilidad reducida limita la capacidad de llenado y es un rasgo característico de la disfunción diastólica.
Viscoelasticidad
El corazón presenta un comportamiento tanto elástico como viscoso, lo que significa que su respuesta no solo depende del grado de estiramiento, sino también de la velocidad de deformación. Esta viscoelasticidad influye en la forma en que el miocardio disipa o almacena energía durante la contracción y la relajación.
Anisotropía
Debido a la complejidad de su estructura fibrosa, el miocardio es anisotrópico: su comportamiento mecánico varía según la dirección de la fuerza aplicada. Esta anisotropía contribuye a un engrosamiento eficaz de la pared y a un bombeo coordinado.
Relación entre las enfermedades y las propiedades mecánicas del tejido cardíaco
Insuficiencia cardíaca con fracción de eyección preservada (HFpEF)
La HFpEF está estrechamente relacionada con un aumento de la rigidez miocárdica y una disminución de la distensibilidad. Estos cambios afectan al llenado diastólico, lo que limita la capacidad del corazón para satisfacer las necesidades circulatorias a pesar de tener una fracción de eyección normal.
Fibrosis
La fibrosis cardíaca, que se caracteriza por un depósito excesivo de colágeno, endurece la matriz extracelular y altera la anisotropía. Esta remodelación altera la mecánica normal, lo que contribuye tanto a la disfunción sistólica como a la diastólica.
Lesión por isquemia/reperfusión
Durante la isquemia y la reperfusión posterior, la rigidez miocárdica cambia de forma dinámica. Los estudios de elastografía por ondas de cizallamiento muestran alteraciones en la rigidez sistólica y diastólica, lo que refleja una disminución de la contractilidad y la relajación en el tejido dañado.
Miocardiopatía dilatada
En la miocardiopatía dilatada, los cambios en las propiedades mecánicas pasivas y activas —como el aumento de la distensibilidad y la alteración de la viscoelasticidad— provocan la dilatación de las cavidades cardíacas, una disminución de la contractilidad y una insuficiencia cardíaca progresiva.
Cómo se evalúa la mecánica del tejido cardíaco
Técnicas in vivo (clínicas)
Desde el punto de vista clínico, la rigidez cardíaca se puede evaluar mediante técnicas tanto invasivas como no invasivas. El análisis del bucle presión-volumen mediante cateterismo sigue siendo el método de referencia para determinar la rigidez de las cavidades cardíacas. Los métodos no invasivos son cada vez más habituales, como la elastografía por ondas de cizallamiento (SWE), que sigue la propagación de las ondas en el miocardio, y técnicas avanzadas de imagen como la elastografía por resonancia magnética (MRE) y la imagen por impulso de fuerza de radiación acústica (ARFI). Estos métodos aportan información valiosa sobre la función diastólica y sistólica y son clave para la detección precoz de cambios relacionados con la enfermedad.
Técnicas ex vivo (Investigación)
En investigación, los métodos ex vivo permiten caracterizar con detalle la mecánica del tejido cardíaco. Entre los instrumentos más habituales se encuentran los ensayos de tracción, la reometría de cizallamiento y la indentación (a escala nano y micro), que se aplican tanto a células aisladas como a muestras de corazón completo. Estas técnicas revelan la elasticidad, la viscosidad y el comportamiento viscoelástico en condiciones controladas, lo que ayuda a los investigadores a relacionar los cambios moleculares con la mecánica general del miocardio.
Caso práctico: Caracterización mecánica del tejido cardíaco con ElastoSens™ Bio
En el campo de la biomecánica cardíaca, el ElastoSens™ Bio ofrece un enfoque avanzado para los ensayos ex vivo. Este instrumento permite medir de forma continua y no destructiva las propiedades viscoelásticas, lo que garantiza que se mantenga la integridad del tejido durante todo el experimento. Su tecnología permite caracterizar con precisión muestras cardíacas blandas y permite realizar ensayos repetidos durante largos periodos de tiempo en diferentes condiciones ambientales, ampliando así la información disponible más allá de los ensayos mecánicos tradicionales.
Para demostrar las capacidades del ElastoSens™ Bio, hicimos un estudio ex vivo con muestras de tejido cardíaco. En la siguiente sección se describen los materiales y métodos utilizados en este experimento, seguidos de los resultados, que muestran un ejemplo práctico de cómo se usa el instrumento.
Materiales y métodos
Los corazones de cerdo y oveja los conseguimos en una granja de la zona. Se extrajeron muestras de tejido con una forma más o menos cilíndrica (23 mm de diámetro interno y altura variable) utilizando un troquel similar al de una biopsia. Cada muestra se colocó con cuidado en el soporte macro del instrumento ElastoSens™ Bio. Las mediciones se realizaron a temperatura ambiente, y cada muestra se analizó durante un minuto.
El instrumento proporcionaba parámetros viscoelásticos en tiempo real, entre ellos el módulo de almacenamiento al cizallamiento (G′) y el coeficiente de amortiguación (Tan𝛿). Para cada condición, los resultados se expresaron como los valores medios obtenidos a partir de cinco muestras independientes, extraídas de la misma localización anatómica en cinco corazones diferentes (n = 5).
Figura 1. Muestra de tejido cardíaco en el soporte macro ElastoSens™ Bio para la caracterización mecánica no destructiva.
Resultados y discusión
Con el sistema de ensayos no destructivos ElastoSens™ Bio, la figura 2 muestra que el tejido cardíaco de cerdo presentaba un módulo de almacenamiento de cizallamiento más alto (G′ = 7,8 ± 1,3 kPa) en comparación con el de oveja (4,1 ± 1,3 kPa), lo que indica una mayor rigidez y un mayor almacenamiento de energía elástica. Por el contrario, el tejido ovino mostró un coeficiente de amortiguamiento más alto (Tanδ = 0,42 ± 0,05 frente a 0,36 ± 0,05), lo que refleja una mayor disipación de energía viscosa. Estas propiedades viscoelásticas específicas de cada especie ponen de manifiesto que el miocardio porcino es mecánicamente más rígido, mientras que el miocardio ovino es más disipativo.
Nuestros valores para el corazón de cerdo coinciden con los que publicaron Kolipaka et al. (2010) y Nenadic et al. (2009), que midieron el miocardio porcino mediante elastografía por resonancia magnética y vibrometría de ondas de cizallamiento, y obtuvieron módulos de cizallamiento en el rango de 7,69 a 12,7 kPa. En cuanto al miocardio ovino, los ensayos de tracción biaxial arrojaron módulos de almacenamiento de cizallamiento equivalentes en el rango de 4,4 a 10,2 kPa, con una media de aproximadamente 6,5 kPa (Pandelani et al., 2025), lo que refleja variaciones regionales y direccionales en los ventrículos. En general, el ElastoSens™ Bio permite realizar mediciones de tejido ex vivo con una manipulación mínima, en condiciones controladas de hidratación y carga. Esta configuración controlada reduce las fuentes externas de variabilidad y capta la respuesta viscoelástica intrínseca del tejido miocárdico.
Figura 2: Propiedades viscoelásticas del tejido cardíaco de oveja y cerdo: módulo de almacenamiento a cizallamiento (G′) (izquierda) y relación de amortiguación (Tan𝛿) (derecha), obtenidos con el sistema de análisis no destructivo ElastoSens™ Bio (media ± DE, n = 5).
Conclusiones y perspectivas
Las propiedades mecánicas del tejido cardíaco, como la elasticidad, la rigidez, la viscoelasticidad y la anisotropía, son fundamentales para entender tanto la función fisiológica como la remodelación patológica. Este estudio confirma que los ensayos viscoelásticos no destructivos con el ElastoSens™ Bio permiten medir de forma fiable la mecánica del tejido cardíaco, captando parámetros clave como el módulo de almacenamiento de cizallamiento (G′) y el coeficiente de amortiguación (Tan𝛿). Este enfoque garantiza datos precisos y reproducibles, lo que proporciona una base sólida para estudios comparativos entre especies y condiciones.
Además de estos resultados, el ElastoSens™ Bio ofrece ventajas únicas para la investigación cardiovascular y en biomateriales:
- Su sencilla preparación y montaje reducen al mínimo la manipulación y conservan la hidratación y la estructura del miocardio.
- Su alta sensibilidad y repetibilidad garantizan mediciones consistentes en las distintas regiones cardíacas (aurículas, ventrículos, tabique), lo que permite captar la variabilidad intraorgánica.
- La evaluación comparativa entre especies permite realizar estudios traslacionales al comparar directamente la mecánica cardíaca en modelos animales y en personas.
- La versatilidad de la plataforma permite realizar pruebas con distintos tejidos cardíacos y biomateriales en condiciones idénticas, lo cual resulta útil para desarrollar parches cardíacos, andamios o sustitutos valvulares.
- Las aplicaciones de tejidos de ingeniería se benefician de mediciones no destructivas y repetidas que permiten captar la evolución dinámica de los constructos miocárdicos bioingenierizados.
- La incubación controlada y las pruebas repetidas permiten hacer un seguimiento de los cambios en las propiedades viscoelásticas a lo largo del tiempo, ya sean debidos a isquemia, a intervenciones farmacológicas o al avance de la enfermedad.
En conjunto, estas capacidades convierten a ElastoSens™ Bio en una herramienta muy útil para impulsar la investigación sobre el tejido cardíaco, la fisiología comparada y el desarrollo de biomateriales sintéticos.
Referencias
Villalobos Lizardi, J. C., Baranger, J., Nguyen, M. B., Asnacios, A., Malik, A., Lumens, J., … & Villemain, O. (2022). A guide for assessment of myocardial stiffness in health and disease. Nature Cardiovascular Research, 1(1), 8-22.
Emig, R., Zgierski-Johnston, C. M., Timmermann, V., Taberner, A. J., Nash, M. P., Kohl, P., & Peyronnet, R. (2021). Passive myocardial mechanical properties: meaning, measurement, models. Biophysical reviews, 13(5), 587-610.
Caenen, A., Keijzer, L., Bézy, S., Duchenne, J., Orlowska, M., Van Der Steen, A. F., … & Vos, H. J. (2023). Continuous shear wave measurements for dynamic cardiac stiffness evaluation in pigs. Scientific Reports, 13(1), 17660.
Kolipaka, A., Araoz, P. A., McGee, K. P., Manduca, A., & Ehman, R. L. (2010). Magnetic resonance elastography as a method for the assessment of effective myocardial stiffness throughout the cardiac cycle. Magnetic Resonance in Medicine, 64(3), 862–870.
Nenadic, I., Urban, M. W., & Greenleaf, J. F. (2009). Ex vivo measurements of myocardial viscoelasticity using shearwave dispersion ultrasound vibrometry (SDUV). Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2895–2898.
Pandelani, T., Mashosho, E., Walker, C., Scheffer, C., & Franz, T. (2025). Passive biaxial mechanical and microstructural characterization of adult ovine heart ventricles. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 13, 1500585.
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