Nota de Aplicação | ElastoSens™ Bio
Medição das propriedades mecânicas do tecido cardíaco utilizando o ElastoSens™ Bio
Introdução
A capacidade do coração de bombear sangue depende não apenas de sua atividade elétrica, mas também das propriedades mecânicas de seu tecido. Essas propriedades — que vão da elasticidade à rigidez e à viscoelasticidade — determinam como o miocárdio se distende, se contrai e se relaxa ao longo do ciclo cardíaco. Mudanças sutis nessa mecânica podem indicar o início de uma doença, enquanto alterações mais pronunciadas prejudicam a capacidade do coração de encher-se e ejetar sangue. Ao estudá-las, cientistas e médicos podem compreender melhor como um coração saudável funciona, detectar sinais precoces de doença e desenvolver terapias que restaurem ou preservem o desempenho.
Principais propriedades mecânicas do coração
Elasticidade
A elasticidade reflete a capacidade do miocárdio de retornar à sua forma original após a deformação. Ela é essencial para o enchimento diastólico, permitindo que os ventrículos acomodem o sangue que chega e, em seguida, se recuperem de forma eficiente para a próxima contração.
Rigidez
A rigidez representa a resistência à deformação, frequentemente quantificada por meio de parâmetros como o módulo de elasticidade ou as relações pressão-volume. Ela varia dinamicamente ao longo do ciclo cardíaco, com baixa rigidez durante a diástole e maior rigidez durante a sístole.
Conformidade
A complacência, o inverso da rigidez, descreve a capacidade do coração de se expandir quando se enche. A complacência reduzida limita a capacidade de enchimento e é uma característica marcante da disfunção diastólica.
Viscoelasticidade
O coração apresenta um comportamento tanto elástico quanto viscoso, o que significa que sua resposta depende não apenas do grau de alongamento, mas também da taxa de deformação. Essa viscoelasticidade influencia a forma como o miocárdio dissipa ou armazena energia durante a contração e o relaxamento.
Anisotropia
Devido à complexidade de sua arquitetura fibrosa, o miocárdio é anisotrópico — seu comportamento mecânico varia de acordo com a direção da força aplicada. Essa anisotropia contribui para o espessamento eficiente da parede e para o bombeamento coordenado.
Relação entre doenças e propriedades mecânicas do tecido cardíaco
Insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada (HFpEF)
A HFpEF está fortemente associada ao aumento da rigidez miocárdica e à redução da complacência. Essas alterações prejudicam o enchimento diastólico, limitando a capacidade do coração de atender às demandas circulatórias, apesar da fração de ejeção normal.
Fibrose
A fibrose cardíaca, caracterizada pela deposição excessiva de colágeno, torna a matriz extracelular mais rígida e altera a anisotropia. Essa remodelação perturba a mecânica normal, contribuindo tanto para a disfunção sistólica quanto para a diastólica.
Lesão por isquemia/reperfusão
Durante a isquemia e a reperfusão subsequente, a rigidez miocárdica sofre alterações dinâmicas. Estudos de elastografia por ondas de cisalhamento mostram alterações na rigidez sistólica e diastólica, refletindo comprometimento da contratilidade e do relaxamento no tecido lesionado.
Cardiomiopatia dilatada
Na cardiomiopatia dilatativa, alterações nas propriedades mecânicas passivas e ativas — incluindo aumento da complacência e alteração da viscoelasticidade — levam à dilatação das câmaras, à redução da contratilidade e à insuficiência cardíaca progressiva.
Como é avaliada a mecânica do tecido cardíaco
Técnicas in vivo (Clínicas)
Clinicamente, a rigidez cardíaca pode ser avaliada por meio de técnicas invasivas e não invasivas. A análise do ciclo pressão-volume por meio de cateterismo continua sendo o padrão-ouro para a avaliação da rigidez das câmaras cardíacas. As abordagens não invasivas são cada vez mais comuns, incluindo a elastografia por ondas de cisalhamento (SWE), que rastreia a propagação das ondas no miocárdio, e ferramentas avançadas de imagem, como a elastografia por ressonância magnética (MRE) e a imagem por impulso de força de radiação acústica (ARFI). Esses métodos fornecem informações valiosas sobre a função diastólica e sistólica e são fundamentais para a detecção precoce de alterações relacionadas à doença.
Técnicas ex vivo (Pesquisa)
Na pesquisa, os métodos ex vivo permitem a caracterização detalhada da mecânica do tecido cardíaco. Entre os instrumentos mais comuns estão os ensaios de tração, a reometria de cisalhamento e a indentação (em escala nano a micro), aplicados desde células isoladas até amostras de coração inteiro. Essas técnicas revelam a elasticidade, a viscosidade e o comportamento viscoelástico sob condições controladas, ajudando os pesquisadores a relacionar alterações moleculares à mecânica miocárdica como um todo.
Estudo de caso: Caracterização mecânica do tecido cardíaco com o ElastoSens™ Bio
No campo da biomecânica cardíaca, o ElastoSens™ Bio oferece uma abordagem avançada para testes ex vivo. Esse instrumento permite a medição contínua e não destrutiva das propriedades viscoelásticas, garantindo que a integridade do tecido seja mantida durante todo o experimento. Sua tecnologia proporciona uma caracterização precisa de amostras cardíacas moles e permite a realização de testes repetidos por longos períodos sob diferentes condições ambientais, ampliando as informações disponíveis além dos ensaios mecânicos tradicionais.
Para demonstrar as capacidades do ElastoSens™ Bio, realizamos um estudo ex vivo com amostras de tecido cardíaco. A seção a seguir descreve os materiais e métodos utilizados neste experimento, seguida dos resultados, apresentando um exemplo prático da aplicação do instrumento.
Materiais e métodos
Corações de suínos e ovinos foram obtidos em uma fazenda local. Amostras de tecido com formato aproximadamente cilíndrico (23 mm de diâmetro interno, altura variável) foram extraídas por meio de um punção semelhante ao utilizado em biópsias. Cada amostra foi cuidadosamente posicionada no suporte macro do instrumento ElastoSens™ Bio. As medições foram realizadas à temperatura ambiente, com cada amostra testada por um minuto.
O instrumento forneceu parâmetros viscoelásticos em tempo real, incluindo o módulo de armazenamento de cisalhamento (G′) e o coeficiente de amortecimento (Tan𝛿). Para cada condição, os resultados foram expressos como os valores médios obtidos a partir de cinco amostras independentes, extraídas do mesmo local anatômico em cinco corações diferentes (n=5).
Figura 1. Amostra de tecido cardíaco no suporte ElastoSens™ Bio macro para caracterização mecânica não destrutiva.
Resultados e discussões
Utilizando o sistema de ensaio não destrutivo ElastoSens™ Bio, a Figura 2 mostra que o tecido cardíaco de porco apresentou um módulo de armazenamento de cisalhamento mais elevado (G′ = 7,8 ± 1,3 kPa) em comparação com o de ovelha (4,1 ± 1,3 kPa), indicando maior rigidez e armazenamento de energia elástica. Por outro lado, o tecido de ovelha apresentou um índice de amortecimento mais elevado (Tanδ = 0,42 ± 0,05 vs. 0,36 ± 0,05), refletindo maior dissipação de energia viscosa. Essas propriedades viscoelásticas específicas de cada espécie destacam que o miocárdio suíno é mecanicamente mais rígido, enquanto o miocárdio ovino é mais dissipativo.
Nossos valores para o coração suíno são consistentes com os relatados por Kolipaka et al. (2010) e Nenadic et al. (2009), que mediram o miocárdio suíno por meio de elastografia por ressonância magnética e vibrometria de ondas de cisalhamento, relatando módulos de cisalhamento na faixa de 7,69 a 12,7 kPa. Para o miocárdio ovino, ensaios de tração biaxial relataram módulos de armazenamento de cisalhamento equivalentes na faixa de 4,4 a 10,2 kPa, com uma média de aproximadamente 6,5 kPa (Pandelani et al., 2025), refletindo variações regionais e direcionais nos ventrículos. De modo geral, o ElastoSens™ Bio permite medições de tecido ex vivo com manuseio mínimo, sob condições controladas de hidratação e carga. Essa configuração controlada reduz fontes externas de variabilidade e captura a resposta viscoelástica intrínseca do tecido miocárdico.
Figura 2: Propriedades viscoelásticas do tecido cardíaco de ovelhas e porcos: módulo de armazenamento ao cisalhamento (G′) (à esquerda) e razão de amortecimento (Tan𝛿) (à direita), obtidos com o sistema de testes não destrutivos ElastoSens™ Bio (média ± DP, n = 5).
Conclusões e perspectivas
As propriedades mecânicas do tecido cardíaco, incluindo elasticidade, rigidez, viscoelasticidade e anisotropia, são fundamentais para a compreensão tanto da função fisiológica quanto da remodelação patológica. O presente estudo confirma que os testes viscoelásticos não destrutivos com o ElastoSens™ Bio permitem a medição confiável da mecânica do tecido cardíaco, captando parâmetros-chave, como o módulo de armazenamento de cisalhamento (G′) e a razão de amortecimento (Tan𝛿). Essa abordagem garante dados precisos e reproduzíveis, proporcionando uma base sólida para estudos comparativos entre espécies e condições.
Além desses resultados, o ElastoSens™ Bio oferece vantagens exclusivas para pesquisas nas áreas cardiovascular e de biomateriais:
- A preparação e a montagem simples minimizam o manuseio e preservam a hidratação e a arquitetura do miocárdio.
- A alta sensibilidade e repetibilidade garantem medições consistentes em diferentes regiões cardíacas (átrios, ventrículos, septo), captando a variabilidade intra-órgânica.
- A comparação entre espécies permite a realização de estudos translacionais por meio da comparação direta da mecânica cardíaca em modelos animais e em seres humanos.
- A versatilidade da plataforma permite a realização de testes em diversos tecidos cardíacos e biomateriais em condições idênticas, o que é útil para o desenvolvimento de remendos cardíacos, arcabouços ou substitutos valvares.
- As aplicações de tecido engenheirado se beneficiam de medições não destrutivas e repetidas que capturam a evolução dinâmica de construções miocárdicas bioengenheiradas.
- A incubação controlada e a realização repetida de testes permitem monitorar as alterações nas propriedades viscoelásticas ao longo do tempo, sejam elas decorrentes de isquemia, intervenções farmacológicas ou evolução da doença.
Em conjunto, essas capacidades posicionam o ElastoSens™ Bio como uma ferramenta valiosa para o avanço da pesquisa sobre tecido cardíaco, da fisiologia comparativa e do desenvolvimento de biomateriais de engenharia.
Referências
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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