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Revista Brasileira de Cirurgia Cardiovascular - In vitro and in vivo tests with the Auxiliary Total Artificial Heart (ATAH): a new device of a totally implantable and heterotopic artificial heart

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Revista Brasileira de Cirurgia Cardiovascular

Print version ISSN 0102-7638

Rev Bras Cir Cardiovasc vol.14 n.2 São Paulo Apr. 1999

http://dx.doi.org/10.1590/S0102-76381999000200010 

Testes in vitro e in vivo com o Coração Artificial Auxiliar (CAA): um novo modelo de coração artificial totalmente implantável e heterotópico

 

Aron ANDRADE*, Yukio OHASHI**, Júlio LUCCHI***, Denys NICOLOSI*, Jarbas J. DINKHUYSEN*, José BISCEGLI*, Antônio C. F. ARRUDA****, Wagner C. CUNHA***, Yukihiko NOSÉ**

 

 

RBCCV 44205-452


Andrade A, Ohashi Y, Lucchi J, Nicolosi D, Dinkhuysen J J, Biscegli J, Arruda A C F, Cunha WC, Nosé Y - Testes in vitro e in vivo com o Coração Artificial Auxiliar (CAA): um novo modelo de coração artificial totalmente implantável e heterotópico.Rev Bras Cir Cardiovasc 1999; 14 (2): 128-34.

RESUMO: Um novo modelo de coração artificial está sendo desenvolvido e testado em nossos laboratórios, o Coração Artificial Auxiliar (CAA). Este dispositivo foi projetado com dimensões reduzidas para ser implantado em paralelo ao coração natural do paciente, dentro da cavidade torácica direita de forma heterotópica. Foram realizados testes in vitro, em um circuito simulador do sistema circulatório humano, para verificação do desempenho hidrodinâmico do CAA. Os resultados mostraram que o CAA pode fornecer um fluxo de até 5,8 L/min, com uma pré-carga de 20 mmHg e uma pós-carga de 100 mmHg. A freqüência de batimento do CAA e, consequentemente, o débito cardíaco são dependentes da pré-carga do ventrículo esquerdo, funcionamento semelhante ao coração natural (Lei de Frank Starling). Testes in vivo animal estão sendo realizados para avaliar os resultados obtidos com os testes in vitro e para verificar o comportamento do CAA em ambiente e condições fisiológicas difíceis de serem simuladas. Os testes in vivo estão sendo também importantes para o desenvolvimento de técnicas cirúrgicas e treinamento dos cirurgiões cardiovasculares envolvidos no projeto. Até o momento, dois estudos agudos in vivo foram realizados, com o CAA funcionando por 5h, implantado na cavidade torácica direta de carneiros adultos (50 ± 5 kg). Os resultados destes estudos in vivo demonstraram que o funcionamento do CAA é sincronizado ao coração natural, sendo possível estudar o comportamento do CAA quando, gradativamente, o coração natural teve sua contratilidade reduzida até sua parada total.

DESCRITORES: Coração auxiliar. Coração artificial. Transplante heterotópico.


 

 

INTRODUÇÃO

A primeira bomba de sangue foi desenvolvida pelo Dr. Michael DeBAKEY (1), em 1934. Esta bomba utilizava o princípio peristáltico de bombeamento e foi inicialmente utilizada para transfusão sangüínea contínua. Desde então, muitos outros tipos de equipamentos de bombeamento de sangue vêm sendo desenvolvidos pelos principais grupos de pesquisa do mundo. Muitos anos depois, com o aperfeiçoamento das técnicas cirúrgicas, foram iniciados estudos para o desenvolvimento de novas gerações de dispositivos de assistência ventricular (DAV) pulsáteis e o primeiro implante clínico deste tipo de equipamento foi realizado pelo Dr. Domingo Liotta et al. (2), em 1961, seguidos pelo próprio Dr. DeBAKEY (3), em 1963. Entretanto, para os casos clínicos mais graves, uma nova prótese cardíaca de duplo ventrículo tornou-se necessária. Em 1965, Dr. Yukihiko NOSÉ et al. (4) demonstraram ser possível implantar um coração artificial total (CAT) dentro do saco pericárdico de bezerros. Com o avanço desta tecnologia, em 1969, Dr. Denton COOLEY et al. (5) realizaram o primeiro implante clínico de um CAT. Em 1983, na Universidade de Utah, EUA, o Dr. DEVRIES et al. (6) realizaram o primeiro implante de um CAT considerado um sucesso pois, mesmo em condições instáveis, o paciente sobreviveu por 112 dias. Este fato fez com que os principais grupos de pesquisas do mundo concentrassem esforços para desenvolver seu próprio projeto CAT. Atualmente, vários tipos de CAT, com diferentes princípios de controle e funcionamento, estão sendo desenvolvidos (7,8). Todos estes dispositivos possuem limitações, pois requerem a retirada do coração do paciente ou não são totalmente implantáveis devido às suas dimensões e geometria. Outra dificuldade encontrada por estes grupos de pesquisa é o sistema de controle do CAT; este fato é agravado pela retirada do coração natural, que anula o sistema neural de controle do débito cardíaco auxiliado pelos pressoreceptores e quimioreceptores e, ainda, elimina o balanço entre o débito direito e esquerdo realizado pelo coração natural (9-11).

 

MATERIAL E MÉTODOS

Um coração artificial com dimensões reduzidas está sendo desenvolvido e testado em nosso laboratórios, o Coração Artificial Auxiliar (CAA). Conforme estudos prévios (12), as dimensões deste dispositivo possibilitam seu implante de forma heterotópica, dentro da cavidade torácica direita de pacientes com peso acima de 70 kg, sem a remoção do coração natural e com mínima compressão de órgãos ou vasos sangüíneos. Seu diâmetro externo é de 85 mm com uma espessura total de 65 mm. O volume de ejeção direito é de 32 ml e o esquerdo é de 35 ml. A Figura 1 mostra um desenho esquemático do posicionamento anatômico do CAA. Os procedimentos cirúrgicos para implante do CAA são semelhantes aos utilizados para o implante de um DVA biventrícular.

 

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Fig. 1 - Desenho esquemático do CAA implantado na cavidade torácica direita sem a remoção do coração natural do paciente.

 

Descrição do CAA

O CAA é um equipamento eletromecânico com bombeamento pulsátil do sangue pulsátil construído por duas câmaras: direita e esquerda. O princípio de acionamento eletromecânico consiste da utilização de um motor sem escovas de corrente contínua e um parafuso planetário de roletes. O motor gira uma porca central que movimenta para cima e para baixo, quase sem atritos, o parafuso de roletes. Este movimento do parafuso para cima e para baixo impulsiona os diafragmas direito e esquerdo alternadamente. Os diafragmas retornam passivamente enchendo os ventrículos devido à pressão de retorno do sangue (pré-cargas direita e esquerda). Uma placa suporte com três eixos estabilizadores é fixada a uma das extremidades do parafuso para evitar que este gire juntamente com a porca. Os diafragmas são colados a dois discos cônicos denominados placas propulsoras. As câmaras ventriculares direita e esquerda são confeccionadas em resina epoxi. A Figura 2 mostra um desenho esquemático das partes eletromecânicas do CAA. Três sensores de efeito Hall são instalados no corpo metálico central do CAA, detectando a aproximação de três imãs, sendo dois fixados aos eixos estabilizadores e um ao diafragma esquerdo. Estes sensores detectam o posicionamento do parafuso de roletes e do diafragma esquerdo. Quando a câmara ventricular artificial esquerda está completamente cheia, o motor é ligado e a fase de ejeção esquerda é iniciada. Ao término da ejeção esquerda, a direção do motor é invertida e o parafuso de roletes é impulsionado para a direita, ejetando o sangue da câmara direita; neste instante ocorre um desacoplamento entre o diafragma esquerdo e o parafuso de roletes e a fase de enchimento do ventrículo artificial esquerdo começa passivamente, com velocidade proporcional à pré-carga esquerda (13). No final da ejeção direita o motor é desligado, aguardando o sinal do sensor que detecta o enchimento total do ventrículo esquerdo e, só então, se inicia um novo ciclo de funcionamento do coração artificial. Com a elevação da pré-carga esquerda, um novo ciclo se inicia mais rapidamente e a freqüência de batimento do CAA é aumentada. Além de funcionar com freqüência variável (FV), o CAA pode operar em freqüência fixa (FF) com um tempo pré determinado em que o motor fica desligado esperando o enchimento do ventrículo esquerdo (14).

 

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Fig. 2 - Vista explodida do CAA, mostrando seus componentes eletromecânicos e os sensores internos de monitoração do posicionamento do parafuso de roletes e do diafragma esquerdo.

 

Testes In Vitro

Qualquer dispositivo de bombeamento de sangue deve ser submetido a extensivos testes in vitro antes de qualquer estudo in vivo. Diversos testes in vitro foram realizados para verificar o desempenho do CAA sob diferentes condições de funcionamento. Um circuito de teste foi construído para simular o sistema circulatório humano. Este simulador é composto de quatro câmaras acrílicas interconectadas por tubos plásticos com torniquetes e fluxômetros. Este sistema de teste foi desenvolvido no Departamento de Cirurgia do Baylor College of Medicine, em Houston, Texas, EUA, para avaliar o coração artificial ortotópico em desenvolvimento naquela Instituição (15).

Os testes de desempenho hidrodinâmico foram realizados com o fluxo bombeado (débito cardíaco) sendo registrado para diferentes pré-cargas esquerdas. As pré-cargas foram ajustadas em incrementos de 2,5 mmHg, nos seguintes valores: 0, 2,5, 5, 7,5, 10, 12,5, 15, 17,5 e 20 mmHg. As pós-cargas médias dos ventrículos foram fixadas em 100 mmHg para o ventrículo esquerdo e 40 mmHg para o ventrículo direito. A pré-carga direita foi fixada em 10 mmHg durante todos os testes. O CAA operou em FV e em FF com freqüências de 80, 100, 120 e 130 bpm.

Testes In Vivo

Testes in vivo com animais estão sendo realizados para avaliar os resultados obtidos com os testes in vitro e para verificar o comportamento do CAA em ambiente e condições fisiológicas difíceis de serem simuladas, como o desempenho do CAA frente às variações de pressões impostas pelo funcionamento do coração natural do animal. Os testes in vivo estão sendo também importantes para o desenvolvimento de técnicas cirúrgicas e treinamento dos cirurgiões envolvidos no projeto. Até o momento, dois estudos agudos in vivo foram realizados, com o CAA implantado em paralelo ao coração natural da cavidade torácica direita de carneiros adultos (50 ± 5 kg) por 5h. Para conexão do CAA ao coração natural foram utilizados enxertos com colágeno (Intervascula/ Politec, São Paulo, Brasil). Quatro próteses valvares biológicas de pericárdio bovino (IDPC, São Paulo, Brasil) foram utilizadas, sendo duas (tamanho 23) nas entradas dos ventrículos artificiais direito e esquerdo e duas (tamanho 21) nas saídas.

 

RESULTADOS

O desempenho hidrodinâmico do CAA foi avaliado através da monitoração do débito cardíaco em função da pré-carga esquerda. O Gráfico 1 mostra os resultados obtidos. Com o CAA operando em freqüência variável (FV), a elevação do débito cardíaco ocasionada pelo aumento da pré-carga esquerda demonstra que o CAA possui alta sensibilidade à pressão de enchimento do ventrículo artificial esquerdo, de forma semelhante ao efeito de Frank Starling no coração natural. O débito cardíaco máximo de 6 L/min foi obtido em FV e com o coração operando a uma freqüência de 200 bpm sob uma pressão de enchimento esquerda de 20 mmHg. Com a pressão de enchimento esquerda em valores normais (10 mmHg), o CAA apresentou uma freqüência de 180 bpm fornecendo um débito cardíaco de 5 L/min, contra uma pós-carga média de 100 mmHg. Com o CAA operando em freqüência fixa (FF), especialmente para pré-cargas acima de 2,5 mmHg, o débito cardíaco não foi muito afetado. Isto deve-se ao fato de que o CAA requer uma pressão muito baixa para obter um enchimento completo de seus ventrículos artificiais para as freqüência ajustadas, isto é, com uma pré-carga superior a 2,5 mmHg e uma freqüência entre 80 e 130 bpm, o CAA opera com seus ventrículos quase completamente cheios.

 

GRÁFICO 1
CURVA DE DESEMPENHO COM O CAA OPERANDO EM FREQÜÊNCIA VARIÁVEL (FV) E EM FREQÜÊNCIA  FIXA (FF) COM 80, 100, 120 E 130 BPM.

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Durante os testes in vivo, pode-se comprovar que o desempenho do CAA é satisfatório, sendo capaz de auxiliar o coração natural a manter o fluxo de sangue e as pressões arteriais em níveis fisiologicamente aceitáveis. Com o CAA operando a uma freqüência de 70 bpm, a cada ciclo de funcionamento do CAA o coração natural contraía duas vezes, notando-se um relativo sincronismo no funcionamento dos dois corações (Figura 3). Com a possibilidade do CAA trabalhar em paralelo ao coração natural, o sistema eletrônico de controle do CAA foi simplificado, em relação ao controle de um coração artificial total (CAT) ortotópico. Além disso, os riscos ao paciente durante a operação são minimizados, quando comparados aos riscos de implante de um coração artificial total (CAT), pois a canulação para o CAA é feita dos átrios esquerdo e direito para a aorta e artéria pulmonar do animal, não sendo necessária a utilização de circulação extracorpórea durante o implante do CAA. Após a interrupção do funcionamento do coração natural do animal (falência cardíaca) o CAA assumiu todo o fornecimento de fluxo sangüíneo, aumentando automaticamente sua freqüência de batimento para um valor médio de 140 bpm, com um débito cardíaco de aproximadamente 4 L/min, suficiente para manter a pressão arterial do animal em níveis fisiológicos aceitáveis (Figura 4).

 

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Fig. 3 - Sinais de pressão da artéria pulmonar e na aorta monitorados durante os testes in vivo. O CAA e o coração natural estão funcionando em paralelo de forma sincronizada, mantendo as pressões em níveis fisiológicos.

 

 

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Fig. 4 - Sinais de pressão da artéria pulmonar e na aorta monitorados durante os testes in vivo. O CAA assumiu a função de bombeamento do sangue, após a parada forçada do coração natural do animal, mantendo as pressões em níveis fisiológicos aceitáveis.

 

COMENTÁRIOS

Com um volume sistólico esquerdo de 35 ml e direito de 32 ml, o CAA é capaz de fornecer um débito cardíaco de 5 L/min a uma freqüência cardíaca de 180 bpm, sob condições de pré-carga média de 10 mmHg e pós-carga de 100 mmHg. Levando-se em consideração que o CAA foi dimensionado para trabalhar em paralelo ao coração natural dos pacientes, este débito cardíaco é mais do que suficiente para este tipo de equipamento. Entretanto, é possível que o débito cardíaco seja melhorado com a substituição das próteses valvares cardíacas utilizadas, pois, diminuindo o volume de regurgitação destas próteses, diminuirá também a discrepância entre o débito cardíaco fornecido pelo CAA e o débito cardíaco calculado. O débito cardíaco calculado obtém-se multiplicando-se o volume sistólico do ventrículo artificial esquerdo e a freqüência cardíaca (35 ml x 180 bpm), sendo de 6,3 L/min e, por outro lado, o débito cardíaco fornecido pelo CAA foi de aproximadamente 5 L/min a esta mesma freqüência de batimentos.

Importantes informações foram obtidas com os testes in vivo; com a diminuição gradativa da contratilidade do coração natural do animal, verificou-se uma resposta adequada do CAA às variações de pressões. Com o CAA auxiliando o coração a manter um fluxo sangüíneo adequado, a freqüência de batimento do coração natural decresceu. Desta forma, é possível predizer que o CAA irá auxiliar o coração debilitado a recuperar sua função de bomba. Observou-se uma tendência do CAA e o coração natural trabalharem de forma sincronizada; isto provavelmente ocorra porque a pré-carga esquerda é maior ao final da sístole do coração natural e, neste momento, a fase de ejeção do ventrículo esquerdo artificial é iniciada, com o ventrículo artificial esquerdo e o coração natural contraindo aternadamente.

 

CONCLUSÕES

Um novo conceito de coração artificial está sendo apresentado nesta publicação. O coração artificial auxiliar (CAA) foi projetado com suas dimensões reduzidas para possibilitar que ele seja implantado dentro da cavidade torácica direita, sem a remoção do coração natural dos pacientes. Este equipamento é capaz de fornecer um débito cardíaco de 5 L/min com uma pré-carga de 10 mmHg e uma pós-carga média de 100 mmHg. Este desempenho é mais do que satisfatório para um equipamento que irá operar em paralelo ao coração natural. Com os dois corações trabalhando simultaneamente o sistema eletrônico de controle da freqüência do CAA torna-se simplificado. Verificou-se uma tendência dos dois corações trabalharem sincronizadamente, com ejeção do ventrículo artificial esquerdo e o coração natural de forma alternada, podendo, desta forma, auxiliar na recuperação das funções de bomba no próprio coração natural. Ficou comprovado que, caso o coração natural tenha seu funcionamento piorado ou interrompido, o CAA assume o bombeamento do sangue com uma freqüência e, conseqüentemente, um débito cardíaco ajustados automaticamente pela pressão de enchimento do ventrículo artificial esquerdo, de forma semelhante a um coração normal, mecanismo conhecido como Lei de Frank Starling.

 

 

RBCCV 44205-452


Andrade A, Ohashi Y, Lucchi J, Nicolosi D, Dinkhuysen J J, Biscegli J, Arruda A C F, Cunha W C, Nosé Y - In vitro and in vivo tests with the Auxiliary Total Artificial Heart (ATAH): a new device of a totally implantable and heterotopic artificial heart. Rev Bras Cir Cardiovasc 1999; 14 (2): 128-34.

ABSTRACT: A miniaturized artificial heart is being developed in the authors laboratories, the Auxiliary Total Artificial Heart (ATAH). This device is an electromechanically driven ATAH using a brushless direct current (DC) motor fixed in a center aluminum piece. This pusher plate type ATAH is controlled based on Frank-Starling's law. The beating frequency is regulated through the change of the left preload, assisting the natural heart in obtaining adequate blood flow. With the miniaturization of this pump, the average sized patient can have the surgical procedure of implantation in the right thoracic cavity performed without removal of the natural heart. The left and right stroke volumes are 35 ml and 32 ml, respectively. In vitro tests were made and the performance curves demonstrated that the ATAH produces 5L/min of cardiac output at 180 bpm (10 mmHg of left inlet mean pressure and 100 mmHg of left outlet mean pressure). Preliminary acute In vivo tests were performed in two sheeps with 50 ± 5 kg, during 5 hours. The ATAH performance is satisfactory for helping the natural heart to obtain the required blood flow and arterial pressure. With the ATAH and the natural heart working simultaneously the ATAH control system is simpler, also the risks of a fatal misoperation is minor compared to a total artificial heart, for patients that still present some cardiac function.

DESCRIPTORS: Heart-assist devices. Heart, artificial. Transplantation, heterotopic.


 

 

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Trabalho realizado no Instituto "Dante Pazzanese" de Cardiologia da Secretaria da Saúde do Estado de São Paulo, SP, Brasil.

* Do Instituto "Dante Pazzanese" de Cardiologia, São Paulo, SP, Brasil.

** Do Baylor College of Medicine, Department of Surgery, Texas Medical Center, Houston, Texas, EUA.

*** Do Instituto Tecnológico da Aeronáutica, Divisão de Engenharia Eletrônica, São José dos Campos, SP, Brasil.

**** Do Laboratório de Engenharia Biomecânica, UNICAMP, Campinas, SP, Brasil.

Endereço para correspondência: Aron Andrade. Instituto Dante Pazzanese, Divisão de Bioengenharia. Av. Dr. Dante Pazzanese, 500, Ibirapuera, São Paulo, SP, Brasil. CEP: 04012-180. Tel: (011) 5085-4011. Fax: (011) 572-6512. e-mail: aandrade@lee.dante.br