Fisiopatología de la Circulación Sanguínea y el Hígado Bioartificial

Tensión en la pared de los vasos

La tensión soportada por la pared de los vasos sanguíneos se puede deducir con el concepto mecánico que relaciona el esfuerzo en la pared de un contenedor con la presión interna de flujo, (ley de Laplace) idealizando y suponiendo que la pared: es de composición homogénea (isotrópica), es delgada y la presión interna se distribuye uniformemente contra ella, para que oponga una tensión distribuida. Según la ley de Laplace (ilustración 8) la tensión de la pared (T), puede variar con los cambios de la presión interna de flujo (Pi ) y el radio (R) del vaso: T = PiR.

La presión sanguínea

de los capilares es cuatro veces menor que la de la aorta y la diferencia entre sus radios llega a ser de 4.000 veces menor, lo que significa una tensión 17.000 veces menor en la pared capilar que en la pared aórtica. Esto es así porque su función es permitir la difusión de líquido y sustancias más que la de soportar grandes esfuerzos, como sí es el caso de la aorta. En el caso de las venas, su función principal es de almacenamiento de grandes volúmenes de sangre y en condiciones normales no están sometidas a presiones elevadas, pero a diferencia de los capilares tienen radio grande que le permite realizar esa función de reservorio de sangre. El problema es que, si aumenta la presión, con un radio elevado, la tensión aumenta en exceso.

Esfuerzo de flujo

Se debe considerar la tensión por el rozamiento que genera el flujo axial: 1. Del fluido contra la pared del vaso, debida a la fricción. 2. Entre las capas de fluido sanguíneo, debido a la viscosidad. Este esfuerzo de flujo se puede evaluar con la relación entre presión y flujo, deducida por Hagen Poiseuille: AP = (P1-P2) = 128nu/Pi * L/D^4 * Q.

Impedimento del retorno venoso por exceso de dilatación y rotura elástica

Como se puede observar, todas las características que influyen en el estado de las venas involucra a la presión. El aumento de la presión hace que la tensión crezca y que se incremente el radio de las venas al ser un material elástico. Dada su naturaleza viscoelástica, serían capaz de soportar esa tensión de manera esporádica, pero ante una tensión constante se van distendiendo con el paso del tiempo. Esta distensión progresiva hace que vaya alcanzado su límite y se va deformando de forma ya permanente. Esta dilatación hace que se acumule demasiada sangre; además, las venas para favorecer el retorno sanguíneo poseen unas válvulas en sus paredes internas que sirven para impedir el flujo inverso de la sangre, pero al aumentar en exceso el diámetro de la vena,  las válvulas no son totalmente efectivas y esto entorpecen el retorno venoso. Finalmente, el radio alcanzado es tal que se alcanza el límite de rotura y la pared venosa cede. Las varices esofágicas se producen a partir de un valor umbral de Gradiente de Presión Venosa Hepático (GPVH) de 10 mmHg y a partir de 12 mmHg las varices pueden llegar a su límite y romperse, produciendo hemorragia. Ocasiona casi el 40% de las muertes en pacientes cirróticos.

Fallo multiorgánico

La reducción de la cantidad de sangre que puede fluir por el hígado trae consecuencias de otras índoles. Como ya se ha mencionado, el hígado tiene una vital importancia funcional, entre otras cosas, como filtro y depurador de la sangre que le llega a través de la vena porta. Si esta sangre no atraviesa el hígado, los factores tróficos que facilitan la regeneración hepática no llegan al hígado y las sustancias que deberían captarse en el hígado para su degradación o excreción permanecerán en el torrente sanguíneo. Esto desencadena una serie de acontecimientos graves, cada una en relación a una o varias de estas sustancias tóxicas que son captadas en otras partes del organismo. En la ilustración 10 pueden observarse un resumen de los efectos de ambos , pero cabe mencionar algunos relacionados con la física de fluidos. Uno de estos efectos está relacionado con la hipersecreción de linfa. Cuando la presión en las venas hepáticas se eleva de 3 a 7 mmHg por encima de la normal, se empiezan a trasudar cantidades exageradas de líquidos hacia la linfa y a escapar por la cara externa de la cápsula hepática en dirección a la cavidad abdominal. Este líquido es casi plasma puro y contiene de un 80 a un 90% de las proteínas del plasma normal. Para una presión en la vena cava de 10- 15 mmHg, el flujo linfático del hígado se multiplica hasta por 20 y la «trasudación» por la superficie hepática aumenta, a veces, tanto que se acumulan enormes cantidades de líquido libre en la cavidad abdominal, fenómeno conocido como ascitis. La obstrucción del flujo portal a su paso por el hígado también eleva la presión capilar en todo el sistema portal del tubo digestivo, provoca edema de la pared intestinal y una trasudación de líquidos desde la serosa del intestino hacia la cavidad abdominal que puede, igualmente, ocasionar ascitis. Su aparición significa estadio avanzado y mal pronóstico a medio plazo, por lo que debe ser considerada como candidatos a trasplante. Otra consecuencia de la hipertensión portal es la esplenomegalia, un aumento del tamaño del bazo, debido a la dificultad en el drenaje venoso de este órgano a través de la vena esplénica y que causa congestión retrógrada hasta incrementar el volumen del bazo. Al agrandarse el bazo, secuestra y destruye las células sanguíneas, especialmente leucocitos y plaquetas.

Patologias de las vías biliares

: Existen varias enfermedades que guardan relación con los conductos biliares y la vesícula biliar. Varias se corresponden a una obstrucción, cuyos síntomas varían dependiendo de  donde se localice la obstrucción biliar y la naturaleza de ésta; una inflamación, ya sea de la vesícula (colecistitis), de la vía biliar extrahepática (colangitis) u otras, o cáncer. La inflamación puede tener causa química, mecánica o biológica. La inflamación aguda produce fiebre, un aumento del número de reactantes de fase aguda (proteínas que actúan ante infecciones), dolor abdominal agudo e irritación del peritoneo y puede obstruir la salida de la bilis (colestasis) a nivel intrahepático o extrahepático, ocasionando una acumulación de bilis. Por ejemplo un cálculo en el conducto cístico provoca la acumuación de bilis en la vesícula, dando lugar en este caso a una inflamación de la vesícula biliar (colecistitis). La inflamación aguda tiene manifestaciones más leves; provoca irritación continua de la mucosa y una predisposición a neoplasias. Las obstrucciones pueden ser de causa luminal, Cálculos, parásitos o coágulos; de origen parietal, como inflamación o un tumor, y también extraparietal como una lesión ocupante de espacio (LOE) pancreática, etc. La obstrucción puede darse en distintos lugares del drenaje biliar, como el ducto cístico (por cálculos en la vesícula), el colédoco o el esfíntes de Oddi, en zonas con alteraciones estructurales adquiridas (ejemplo: los cambios ocurridos tras una cirugía) o congénitas. La obstrucción transitoria, o cólico biliar, es a causa de una distensión brusca de las vías biliares por un acúmulo de bilis cercano a una obstrucción. Ocurre de forma brusca y provoca un dolor intenso y continuo en el epigastrio, que cesa en unas horas normalmente. La obstrucción permanente puede darse en la vesícula provocando colecistitis y ocasionar fístulas biliodigestivas que acaben drenando en el duodeno. Además, aunque poco frecuente, puede romperse la vesícula y producir peritonitis. La obstrucción permanente en el colédoco o coledocolitiasis puede provocar colangitis, colestasis crónica, ictericia y/o pancreatitis aguda. OBSTRUCCION POR CALCULOS.Modelo: Los cálculos son estructuras cristalinas formadas en la bilis de distinta composición. Su formación está asociada a la subida del colesterol o a una reducción de la cantidad de ácido biliar generado, que favorece la precipitación de estas partículas en la vesicula biliar o en el interior de la via biliar . Éstas se saturan y luego por la acción de promotores de nucleación permiten que se acumulen varias aglomeraciones formando microcálculos y finalmente cálculos de un tamaño variable. Si el diámetro de la piedra es menor que el diámetro del conducto cístico, hay una posibilidad de que el cálculo se mueva desde la vesícula biliar al conducto biliar común o papila duodenal mayor, lo que puede provocar la inflamación del conducto biliar y/o obstruir la salida de la bilis en el duodeno. Ante la gravedad de esta situación y la posibilidad de ocurrir más tipos de patologías relacionada con la formación de cálculos se justifica la necesidad de estimar de algún modo la necesidad de intervenir en función del tamaño del cálculo. Un posibilidad es crear un modelo del flujo de bilis en el conducto con un cálculo, obteniendo unos resultados aproximados del perfil de velocidad de flujo biliar, presión que eso supone y demás características en función del radio del cálculo. Las dependencias obtenidos pueden desempeñar un papel importante en la evaluación de una indicación de la operación. Un posible modelo aproximado es considerar un conducto de radio b donde hay un cálculo de radio a, por el que pasa un fluido que es no Newtoniano. Como el coeficiente/exponente de esfuerzo/tensor de cizalladura y el índice de cizalla se aproxima a 1, lo vamos a igualar a 1 en futuros cálculos. Se usa ecuación reológica (que trata la deformación y flujo de cuerpos) de Casson (Rai(T) = Rai(T0) + Rai (nu*infi* dlanda/dt)) aplicando unos valores obtenidos experimentalmente a partir de muestras de bilis (ilustración 15izq). EL HIGADO BIOARTIFICIAL: Varios dispositivos de hígado bioartificial extracorpóreo (BAL) están siendo evaluados actualmente como una terapia alternativa o complemento para la enfermedad hepática. Si bien estos sistemas híbridos son prometedores, con el fin de convertirse en una realidad clínica, dispositivos BAL deben demostrar claramente la eficacia en la mejora de los resultados del paciente. A continuación, presentamos los aspectos de dispositivos BAL que podrían beneficiarse de los avances fundamentales en biología celular y del desarrollo. En particular, se analiza el desarrollo de líneas celulares de hepatocitos humanos, las estrategias para estabilizar el fenotipo de hepatocitos in vitro, y hacen hincapié en la importancia del microambiente celular en el diseño del biorreactor. La consideración de estos componentes clave de los sistemas BAL mejorará en gran medida dispositivos de próxima generación. El aumento de la incidencia de la enfermedad hepática junto con una escasez continua de donantes de órganos para trasplante ha impulsado el desarrollo de muchas terapias alternativas para la insuficiencia hepática. Uno de los principales enfoques de los dispositivos hepáticos bioartificiales extracorpóreos (BAL), se ha desarrollo durante más de 40 años para acelerar la recuperación de la insuficiencia hepática aguda o proporcionar una terapia puente hasta el trasplante. Los dispositivos BAL típicamente integran hepatocitos aislados con biorreactores basados en membranas a través de las cuales el plasma de un paciente puede ser perfundido, de forma que ejerzan el mismo papel que el hígado humano. Los diseños del bioreactor tienen como objetivo mantener la viabilidad celular y la función sin obstaculizar el intercambio de nutrientes y metabolitos, con el fin de ser eficaces terapéuticamente. La primera generación de dispositivos de BAL han sufrido una amplia evaluación experimental y clínica. Aunque los ensayos recientes han proporcionado una valiosa experiencia en la implementación de apoyo BAL, los resultados no han demostrado de manera inequívoca la eficacia. Aquí vamos a considerar el estado clínico actual de los dispositivos BAL y esbozaremos cuestiones que puedan mejorar la próxima generación de dispositivos como: el abastecimiento de células, la estabilidad fenotípica de los hepatocitos y el diseño del biorreactor. Estado clínico de los dispositivos BAL: Varios dispositivos de hígado bioartificial extracorpóreo (BAL) están siendo evaluados actualmente como una terapia alternativa o complemento para la enfermedad hepática. Si bien estos sistemas híbridos son prometedores, con el fin de convertirse en una realidad clínica, dispositivos BAL deben demostrar claramente la eficacia en la mejora de los resultados del paciente. A continuación, presentamos los aspectos de dispositivos BAL que podrían beneficiarse de los avances fundamentales en biología celular y del desarrollo. En particular, se analiza el desarrollo de líneas celulares de hepatocitos humanos, las estrategias para estabilizar el fenotipo de hepatocitos in vitro, y hacen hincapié en la importancia del microambiente celular en el diseño del biorreactor. La consideración de estos componentes clave de los sistemas BAL mejorará en gran medida dispositivos de próxima generación. El  aumento de la incidencia de la enfermedad hepática junto con una escasez continua de donantes de órganos para trasplante ha impulsado el desarrollo de muchas terapias alternativas para la insuficiencia hepática. Uno de los principales enfoques de los dispositivos hepáticos bioartificiales extracorpóreos (BAL), se ha desarrollo durante más de 40 años para acelerar la recuperación de la insuficiencia hepática aguda o proporcionar una terapia puente hasta el trasplante. Los dispositivos BAL típicamente integran hepatocitos aislados con biorreactores basados en membranas a través de las cuales el plasma de un paciente puede ser perfundido,  de forma que ejerzan el mismo papel que el hígado humano. Los diseños del bioreactor tienen como objetivo mantener la viabilidad celular y la función sin obstaculizar el intercambio de nutrientes y metabolitos, con el fin de ser eficaces terapéuticamente. La primera generación de dispositivos de BAL han sufrido una amplia evaluación experimental y clínica. Aunque los ensayos recientes han proporcionado una valiosa experiencia en la implementación de apoyo BAL, los resultados no han demostrado de manera inequívoca la eficacia. Aquí vamos a considerar el estado clínico actual de los dispositivos BAL y esbozaremos cuestiones que puedan mejorar la próxima generación de dispositivos como: el abastecimiento de células, la estabilidad fenotípica de los hepatocitos y el diseño del biorreactor. Ensayos clínicos en curso, han  informado de que los tratamientos con dispositivos BAL son realmente seguros. Las preocupaciones específicas de reacción inmune, xenozoonosis y tumorales han sido dirigidos a obtener la aprobación reglamentaria para la introducción clínica con éxito. Sin embargo, los resultados recientes de gran escala, ensayos aleatorios de fase II / III del sistema HepatAssist no proporcionaron evidencia inequívoca de la eficacia. Mientras que los grupos de tratamiento mostraron una mejora moderada en la supervivencia de 30 días y los grupos de riesgo inminente de muerte, los resultados fueron confundidos por el impacto de los trasplantes y las variaciones en la etiología de la enfermedad. Por lo tanto, como la primera evaluación clínica aleatorizada de un dispositivo de BAL, el ensayo de HepatAssist es un hito importante que proporcionará información valiosa para futuros desarrollos en este campo. Como veremos a continuación, la  mejoras en la próxima generación de dispositivos BAL serán necesarios para justificar su adopción en la clínica. Además, se debe dar cuidadosa consideración al diseño y ejecución de ensayos clínicos. Claramente, la elección del brazo de control y puntos finales clínicos tiene un gran impacto en los resultados potenciales y deben ser elegidos cuidadosamente. Una alternativa a los “30 días de supervivencia"en pacientes que están en puente al trasplante puede ser para el tratamiento de las poblaciones de pacientes que no son elegibles para el trasplante, evitando así la variable importante de disponibilidad de órganos. Del mismo modo, en lugar de comparar el tratamiento BAL al cuidado médico estándar, los brazos de control pueden incluir sistemas de perfusión extracorpórea er withoth tratamiento como la hemodiálisis continua, eliminando de esta manera los resultados negativos relacionados con la instrumentación del paciente. Finalmente, el curso de la insuficiencia hepática es muy variable y depende de la etiología de la enfermedad. Históricamente, el tratamiento BAL se ha apuntado a la insuficiencia hepática aguda incluyendo intoxicación por paracetamol, la hepatitis viral, disfunción primaria del injerto, y descompensación aguda en un fondo de la enfermedad hepática crónica, para permitir la admisión de más paciente en los ensayos clínicos; sin embargo, los datos ahora sugieren que los pacientes de estos subgrupos tienen muy diferentes tasas de recuperación espontánea y pueden ser mejor analizados por separado. En última instancia, la demostración de la eficacia en un grupo relativamente pequeño de la población de pacientes con insuficiencia hepática aguda, puede conducir al tratamiento de cohortes mayores con enfermedades crónicas hepáticas. MEJORAS DEL DISPOSITIVO BAL: La construcción de un dispositivo para reemplazar la función del hígado es un reto formidable que requiere los esfuerzos interdisciplinarios de los campos de la medicina, la biología y la ingeniería. Teniendo en cuenta el estado actual de la tecnología de BAL y resultados clínicos ambiguos, deberíamos volver a examinar el diseño y la aplicación de terapias alternativas para la enfermedad hepática. Planteamos algunos de los avances en la compra de componentes de células, la estabilización de fenotipo de los hepatocitos, y diseño bioreactor que pueden contribuir a una nueva generación de dispositivos de BAL que prueban eficaz en el tratamiento de la enfermedad hepática.Estabilizacion del fenotipo de los hepatocitos: Los hepatocitos son células de unión dependiente que sin las señales microambientales adecuados  pierden rápidamente su función específica del hígado. Los diseños de dispositivos BAL actuales basados en la tecnología de fibra hueca pueden mantener adecuadamente la viabilidad celular, pero apenas consiguen optimizar las funciones celulares. Se ha demostrado que las variaciones en la composición y la topología de la matriz extracelular (ECM) afectan a la estabilidad de los hepatocitos. Un método que varía la matriz de topología denominada “sandwich culture” fue diseñado para imitar el microambiente del hepatocito para adultos en el que las células se intercalan por la matriz extracelular en el espacio de Disse. Matrigel es un compuesto de lámina basal de origen biológico que ha inducido agregados de hepatocitos esferoidal multicelulares, que tienden a mantener la función del hígado a largo plazo. Algunas modificaciones de medios de cultivo incluyen la adición de bajas concentraciones de hormonas, corticoides, citoquinas, vitaminas o aminoácidos y son conocidos para ayudar a estabilizar la morfología de los hepatocitos, la supervivencia, y las funciones específicas del hígado. Específicamente, las formulaciones libres de suero que contienen EGF, HGF, y nicotinamida ayudan a mantener la función de los hepatocitos e incluso inducir la proliferación in vitro. La restauración de interacciones célula-célula que se encuentran en vivo también ayudan a estabilizar el fenotipo de hepatocito primario. Las interacciones homotípicas (hepatocitos / hepatocitos) se promueven en los agregados multicelulares creadas en culturas esferoide o esquemas de encapsulación. Los agregados se forman después de unos días en cultivo en sustratos no adherentes, superficies macroporosas, o en Matrigel; sin embargo, su utilidad puede verse obstaculizada por las limitaciones de transporte que se producen en los agregados de gran tamaño. Este efecto también se ha observado que aumenta la función de líneas celulares inmortalizadas humanas por tres a cuatro veces cuando se cultivan en agregados encapsulados, lo que demuestra el potencial para la extrapolación de las pistas extraídas de cultivo de hepatocitos a líneas celulares. Además, el ambiente celular de los hepatocitos ha sido modificado mediante la adición de otros tipos celulares. Las funciones específicas del hígado son estabilizadas en los hepatocitos cuando se cocultivan con células no parenquimales (interacción heterotípica). Tanto los tipos celulares derivados del hígado como los no derivados, inducen la estabilización fenotípica. Las líneas celulares derivadas incluyen células epiteliales de hígado de roedor de origen biliar, células estrelladas (grasa de almacenamiento), células endoteliales sinusoidales hepáticas, células de Kupffer, y toda la parte “no parenquimatosa” de las células hepáticas aisladas. Este efecto también se ha demostrado que cruza la barrera de especies. Por ejemplo, se ha demostrado que los fibroblastos murinos 3T3, epitelios de riñón de mono, epitelios de riñón canino, endoteliales de aorta bovina, y fibroblastos humanos, en diversos grados, estabilizan los hepatocytes de rata. Aunque los mecanismos moleculares precisos que subyacen en el efecto 'cocultivo' no son conocidos, es probable que este fenómeno represente una vía de señalización altamente conservada en desarrollo en el que el contacto entre el mesodermo cardíaco y endodermo del intestino anterior inicia la formación de yemas hígado. Además es clave esclarecimiento de las señales de la matriz, los factores solubles, y las interacciones célula-célula para mantener el fenotipo de los hepatocitos, y así mejorar las terapias de BAL. Diseño del bioreactor: Los bioreactores pueden ser clasificados en 4 tipos: fibra hueca (hollow fiber), placa plana o cultivos en monocapa (flat plate o monolayer cultures), andamios perfundidos (perfused bed or scaffolds) y cámaras de suspensión o encapsulación (suspension or encapsulation chambers). Cada diseño tiene ventajas y desventajas, pero para que el dispositivo tenga éxisto, éste debe integrar trasporte eficiente de masa, escalabilidad y, por supuesto, mantener el fenotipo del hepatocito. En la mayoría, los sistemas BAL se han construido con tecnología de fibra hueca que fue desarrollada y optimizada para el uso de diálisis de riñón. Si son o no el tipo de bioreactor más efectivo está por ver. Los cartuchos de fibra hueca proporcionan compartimentos separados para la perfusión y la unión de células, pero por lo general no sirven como una barrera semipermeable para el transporte. Sin embargo, los diseños de fibra hueca más sofisticados que utilizan fibras coaxiales o entretejidos multicompartimentales podrían funcionar mejor que los reactores actuales. Un sistema de placa plana a gran escala experimental utiliza “sandwich culture” de colágeno para estabilizar los hepatocitos, pero puede verse limitada por el transporte de masa y problemas de escalabilidad. El diseño de los andamios perfundidos podría mejorar bastante el intercambio de nutrientes en los sistemas BAL si se aplicaran microportadores de vidrio, poliuretano microcanalizado y tejido de poliéster. Algunos biorreactores han aprovechado la estabilización homotipica mediante la suspensión de alginato o de hidrogel de esferoides encapsulados en cámaras de perfusión. Independientemente de la configuración de los dispositivos, los sistemas BAL deben proporcionar transporte masivo escalable. La escalabilidad también infiere que un dispositivo sea capaz de albergar hasta 15 mil millones de hepatocitos necesarios para apoyar adecuadamente a un paciente. Muchos reactores basados en membranas pueden crear grandes distancias de difusión y pueden excluir transporte de moléculas más grandes. La inclusión de geles, perlas, u otros materiales destinados a estabilizar células proporcionan resistencias de difusión adicionales. Los dispositivos BAL universalmente carecen de un compartimiento excretor similar al sistema biliar que podría reducir la bilirrubina y otros subproductos metabólicos que se acumulan en la enfermedad hepática. La principal preocupación en el diseño del biorreactor es garantizar que el componente biológico funciona de manera óptima. Ya hemos abordado cómo varios métodos in vitro se están utilizando para mantener la función de los hepatocitos en cultivos a largo plazo. En general, el microambiente celular en los dispositivos actuales es inadecuado. Algunos dispositivos están empezando a incorporar shemes cocultivo para para impulsar y estabilizar las funciones hepáticas. Los avances en la fabricación de andamios tridimensional en la ingeniería de tejidos pueden proporcionar nuevos enfoques para el control de las señales microambientales a gran escala.