2. conceptos de fisiología cardíaca.

Capítulo 2.
Conceptos de Fisiología Cardíaca.
2. CONCEPTOS DE FISIOLOGÍA CARDÍACA.
2.1. INTRODUCCIÓN.
Como se ha visto en el capítulo anterior, el corazón es el órgano principal sobre
el cual el grupo de investigación aplica el protocolo de criopreservación. En este
capítulo se exponen conceptos básicos que explican el funcionamiento del sistema
circulatorio y la manera en la que el corazón actúa como motor de éste. A continuación
se muestran las distintas partes que forman el músculo cardíaco, su funcionamiento y
localización.
Seguidamente se introduce teoría básica a cerca de la preservación en frío
mediante la explicación de los procesos fisio-químicos que tienen lugar en una célula
cuando se somete a procesos de conservación en frío (los principios de ósmosis y del
descenso del punto de congelación) y como éstos están relacionados con la formación
de hielo durante el proceso. El capítulo finaliza con la exposición de las variables a
controlar en el proceso de conservación y que se deben ir concretando una vez que
comiencen los experimentos.
2.2. EL SISTEMA CIRCULATORIO Y EL CORAZÓN.
La circulación sanguínea es el sistema corporal encargado de llevar las
provisiones esenciales de alimentos y combustible a todas las células vivas
intercambiándolas con productos de desecho potencialmente dañinos. El sistema
circulatorio del adulto está formado por miles de kilómetros de conductos por los que
fluyen unos 4,7 litros de sangre. La sangre se mantiene en circulación por todo el cuerpo
gracias al bombeo del corazón.
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La sangre circula por todo el cuerpo por tubos que reciben los nombres de
arterias y venas. La mayoría de las arterias transportan sangre rica en oxígeno
(oxigenada), mientras que casi todas las venas llevan sangre rica en dióxido de carbono
(desoxigenada). La arteria más grande es la aorta, que nace directamente del corazón; al
igual que las demás arterias importantes, tiene paredes gruesas revestidas por músculo.
El flujo sanguíneo depende de la contracción de este músculo y del impulso del latido
cardíaco, perfectamente coordinados dentro del ciclo cardíaco.
Al penetrar en los tejidos, las arterias se dividen en ramas estrechas llamadas
arteriolas, y que a su vez se ramifican para formar los capilares. Precisamente, a través
de las paredes sumamente delgadas de los capilares, la sangre cede el oxígeno de
carbono y las sustancias de desecho. La sangre desoxigenada de los capilares fluye
hacia las venas estrechas (vénulas) y de ahí a las venas. Las dos venas más grandes,
llamadas venas cavas, llevan de nuevo esta sangre al corazón. Las paredes de las venas
son delgadas en comparación con las de las arterias, y la sangre circula por ellas con
mucha mayor lentitud.
La sangre desoxigenada que llega al corazón a través de las venas no tiene
ninguna utilidad para las células del cuerpo hasta que no vuelve a recargarse de
oxígeno. Para asegurar la reoxigenación, el sistema circulatorio está dotado de un
segundo circuito. En él, la sangre rica en bióxido de carbono se dirige desde el corazón
hasta los pulmones por la arteria pulmonar; en el pulmón se intercambia el bióxido de
carbono por el oxígeno inspirado. La arteria pulmonar es la única arteria que trasporta
sangre desoxigenada. La sangre reoxigenada vuelve al corazón a través de la vena
pulmonar, la única vena que transporta sangre oxigenada.
2.2.1. EL CORAZÓN.
El corazón es el órgano principal del sistema circulatorio y su tamaño es similar
al del puño. Está alojado en un una especie de estuche denominado pericardio, situado
en el mediastino inferior y rodeado por el pulmón, excepto en una franja anterior que
contacta con el peto esternal, localizándose ligeramente desplazado hacia la izquierda
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de la línea media del tórax. El pericardio ayuda a mantener al corazón en su posición y a
protegerlo. El pericardio y el corazón están separados por una capa fluida lubricante que
permite que el corazón bombee libremente dentro del pecho. El corazón lo forman tres
capas musculares, el endocardio, el miocardio y el epicardio. El miocardio forma
aproximadamente el 75% del tejido cardíaco. El pericardio es una delgada capa que
recubre el miocardio. La tercera capa, conocida como endocardio, se ubica entre el
miocardio y el interior del corazón.. En su interior, el corazón posee una delgada pared
muscular llamada septum, la cual lo divide en dos mitades A su vez, cada mitad está
separada en dos cámaras limitadas por válvulas. Las cámaras superiores se llaman
aurículas y representan las entradas del corazón. Las cámaras inferiores, los ventrículos,
son más gruesas y permiten la salida del flujo sanguíneo del corazón. Las válvulas que
separan las cámaras superiores e inferiores se denominan válvulas auriculoventriculares.
La válvula que separa la aurícula derecha del ventrículo derecho se llama válvula
tricúspide, mientras que la válvula que separa la aurícula izquierda del ventrículo
izquierdo recibe el nombre de válvula mitral (figura 2.1.).
Figura 2.1. Estructura cardíaca. En ella se distinguen perfectamente las aurículas, los ventrículos y las
distintas válvulas que rigen el flujo sanguíneo. La válvula tricúspide controla en flujo de la aurícula
derecha al ventrículo derecho; y la válvula mitral, el flujo de la aurícula izquierda al ventrículo izquierdo.
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La sangre circula por cada lado del corazón de un modo sistemático. La sangre
desoxigenada llega a la aurícula derecha para luego entrar en el ventrículo del mismo
lado, desde donde es bombeada por la arteria pulmonar hasta los pulmones. La sangre
oxigenada que vuelve por la vena pulmonar entra en la aurícula izquierda y pasa luego
al ventrículo izquierdo para ser bombeada hacia la aorta y el resto del sistema
circulatorio.
2.2.2. FUNCIONES PRINCIPALES.
Coordinar, estructurar y ejecutar el sistema de bombeo dentro del ciclo cardíaco
constituyen las principales funciones del miocardio. Dicho ciclo se regula mediante
impulsos eléctricos originados en una condensación de tejido cardíaco especializado
llamado marcapaso, cuya actividad se detalla en el capítulo 3. Básicamente permite la
realización de las funciones relacionadas con los dos movimientos del músculo.
•
La función diastólica.
Comprende el periodo de relajación dentro del ciclo cardíaco. Comienza
al terminarse la contracción y en él se produce un llenado del corazón. Entre los
factores que modifican las propiedades diastólicas de los ventrículos se
encuentran la dimensión de la cavidad ventricular, el espesor de
la pared
ventricular y las propiedades mecánicas intrínsecas del tejido cardíaco.
•
La función sistólica.
La función sistólica viene definida por la capacidad de contracción
muscular del corazón. Mediante dicha contracción, la sangre es impulsada hacia
todo el sistema circulatorio.
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2.3. PRINCIPIOS
FÍSIO-QUÍMICOS
PARA
LA
PRESERVACIÓN EN FRÍO.
La criomedicina (crio proviene de la palabra griega “kruos” que significa frío),
empieza a desarrollarse a mediados del siglo XIX, donde su principal utilización se
dedicaba al campo de la anestesia, aunque existían diversas líneas de investigación que
lo empleaban contra algunos procesos cancerígenos. Debido a la dificultad para
producir aire líquido existente y la escasez de informes a cerca de las investigaciones, el
uso del frío como medicina cae en desuso. No es hasta 1959, cuando se puede
proclamar el nacimiento de la criomedicina moderna, a partir de importantes avances en
la congelación de tejido cerebral mediante la irrigación de líquido refrigerante [Cooper,
I., Lee, A., 1961] y de los primeros experimentos de criopreservación de muestras
biológicas (en concreto, con conjuntos de células en suspensión), que han permitido
profundizar en el conocimiento del proceso de enfriamiento, así como diseñar
estrategias de conservación, basadas en la adición de crioprotectores y optimización de
las velocidades de enfriamiento y recalentamiento que reduzcan el efecto dañino del
frío. Un desarrollo en el conocimiento implica conocer cuales son los mecanismos de
destrucción de tejido durante la criopreservación y evaluar los daños sufridos en el
proceso (no sólo en el proceso inicial de enfriamiento, sino también en el de
calentamiento hacia los 37ºC).
La preservación en frío se basa en el hecho de que las reacciones químicas se
producen más lentamente a medida que desciende la temperatura en el órgano. Aunque
se puede afirmar que, por debajo de los –140ºC, toda actividad metabólica se detiene,
no se puede olvidar el proceso necesario para conseguirlo, ya que el órgano no soporta
ninguno de los métodos actuales de enfriamiento, sufriendo daños que lo hacen
inservible.
Una célula consta, en su interior, de una disolución de agua y sales, y en su
periferia, de una membrana semipermeable que únicamente deja pasar agua. Por ello,
cuando el agua sale o entra en la célula, la concentración de sales disueltas aumenta o
disminuye.
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Mediante la “hipótesis de los dos factores” [Mazur, P., 1963] se explican los
procesos físico-químicos que tienen lugar en una célula cuando se enfría. Para ello,
basta con explicar el fundamento de dos principios físicos: el principio de ósmosis y el
principio del descenso del punto de congelación.
•
Principio de Ósmosis.
El Principio de Ósmosis dice que, cuando se tiene una célula de este tipo
sumergida en una disolución salina, el agua empieza a fluir en un sentido tal que
tiende a igualar las concentraciones de las disoluciones. Es decir, si se sumerge
una célula en una disolución de sales más concentrada que la existente en el
interior celular, el agua sale de la célula, por lo que ésta encoge reduciendo su
volumen. Por el contrario, si la disolución exterior está más diluida, el agua
exterior empieza a introducirse en la célula provocando un aumento en su
volumen.
•
Principio del descenso del punto de congelación.
El Principio del descenso del punto de congelación concluye que, aunque
el punto de congelación del agua pura está situado a 0ºC, si en el agua existen
sales disueltas, éste desciende.
Cuando se tiene un conjunto de células que se quiere conservar en frío,
inicialmente se introducen en un recipiente que contiene una solución salina isotónica,
es decir, con igual concentración de sales que en el interior celular. Cuando se empieza
a enfriar este preparado, el frío alcanza antes la solución exterior que el interior celular.
Esto trae consigo que se forme hielo en el medio extracelular sin que se produzca en el
interior celular. La aparición de este hielo provoca que el agua líquida vaya
desapareciendo, y debido al principio de ósmosis, sale agua de la célula para igualar las
concentraciones intra y extracelulares.
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Al salir agua de la célula, la sal que estaba disuelta en su interior empieza a estar
más concentrada, produciéndose un descenso de su punto de congelación (según el
segundo principio enunciado). Con esto se reduce el riesgo de formación de hielo
intracelular que traería como consecuencia la destrucción de la célula. Mediante la
repetición de este proceso y siguiendo un perfil adecuado (donde la velocidad de
enfriamiento juega un papel esencial) que permita la creación de hielo extracelular y
compensar las concentraciones mediante la salida de agua desde el interior de la célula,
se consigue un enfriamiento efectivo sin la aparición de hielo intracelular.
La no formación de hielo mediante este procedimiento no es sinónimo de
supervivencia celular ya que, aunque no se forme hielo, aparecen dos nuevos factores
que perjudican gravemente a la célula. Por una parte está el hecho de que en cierto
instante la concentración de sales dentro de la célula llega a ser tan alta que resulta muy
tóxica. Por otra parte, al salir tanta agua de la célula su volumen disminuye
peligrosamente, produciendo deformaciones estructurales irreversibles. Estos dos
factores son tanto o más perjudiciales que la formación de hielo intracelular. Por ello, en
los protocolos de preservación de células aisladas hay que enfriar a una velocidad que
sea lo suficientemente lenta como para evitar en lo posible la formación de hielo
intracelular, pero a su vez, lo suficientemente rápida como para no producir una
deshidratación excesiva que conlleve a una destrucción irreversible de la estructura
celular. Esto da lugar a que el perfil que aparece cuando se representa el porcentaje de
células que sobreviven a un proceso de preservación en frío frente a la velocidad de
enfriamiento sea, típicamente, el de una U invertida (figura 2.2). Por lo tanto, se precisa
optimizar todos los parámetros expuestos:
Velocidad de enfriamiento.
Concentración de crioprotector.
Tipos de crioprotectores.
Tiempo de almacenamiento.
Temperatura última de almacenamiento.
Proceso de recalentamiento.
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Figura 2.2. Supervivencia en % de distintos tipos de células en función de la velocidad de enfriamiento.
Debido a los factores de toxicidad y sobreenfriamiento las curvas toman la forma de U invertida, lo que
implica establecer un compromiso entre la velocidad de enfriamiento y el grado de deshidratación celular.
Cada uno de los parámetros expuestos puede ser optimizado estudiando su
eficiencia, determinándola mediante los resultados que aportan los experimentos.
En cuanto a la velocidad de enfriamiento, se ha demostrado que, para casos
concretos de células aisladas es posible la conservación mediante la aplicación de
velocidades de enfriamiento de decenas de miles de grados por segundo, consiguiendo
vitrificación y evitando la formación de hielo y la deshidratación celular. Sin embargo,
hoy en día no es posible aplicar esta técnica a los órganos, debido en parte la
conductividad térmica finita que presentan.
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