REVISIÓN DE TEMA La preparación de Langendorff: corazón de

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REVISIÓN DE TEMA
La preparación de Langendorff: corazón
de mamífero aislado perfundido
Darío Riascos Bernal*
Erik Baltaxe**
Gabriel Pascual A.***
RESUMEN
ABSTRACT
La preparación de Langendorff es una técnica experimental de
órgano aislado. Su principio básico consiste en perfundir las arterias coronarias a través de una cánula de perfusión retrógrada
insertada en la aorta. Cuando se alcanza una presión adecuada
del líquido nutriente se cierra la válvula aórtica y se desvía el
flujo hacia los orificios de las coronarias, de modo que se perfunde
la masa ventricular y el corazón late en vacío. Oscar Langendorff
describió la técnica en 1895. Antes que él, Carl Ludwig en 1846 y
Elias Cyon en 1866 perfundieron corazones de rana. Gracias a
este tipo de preparación y sus predecesores en anfibios se han
logrado importantes avances en la comprensión de la fisiología
cardiaca, tales como la ley de Frank-Starling, el papel del calcio
en la contracción cardiaca, la transmisión química del vago, el
fenómeno escalera (treppe) y la cardioplejía inducida por potasio,
entre otros. Las principales adaptaciones de la técnica de
Langendorff usadas en nuestro laboratorio consisten en el uso
de un balón intraventricular para medir la presión ventricular
izquierda y obtener índices de contractilidad, y la inserción de
un catéter en la arteria pulmonar para cuantificar y estudiar el
flujo coronario. Importantes ventajas se derivan de este modelo
tales como su reproducibilidad y bajo costo, así como la posibilidad de estudiar el corazón en ausencia de factores reguladores
extrínsecos y la facilidad para realizar estudios de isquemia y
reperfusión. Su principal desventaja es que es poco fisiológico
desde el punto de vista de precarga y poscarga reales y por su
alto flujo coronario. Este modelo será de gran relevancia en el
futuro gracias a las adaptaciones hechas para el estudio de corazón aislado de ratones transgénicos para enfermedades cardiacas.
The Langendorff heart preparation is an experimental isolated
organ technique. Its basic principle lies in the fact that if a cannula
is inserted through the aorta and a retrograde perfusion initiated
at a pressure high enough to close the aortic valve; thus, the
nutrient perfusion fluid will fill the coronary arteries and so the
ventricular mass is nourished, herein the heart beats without
chamber filling. This technique was first described by Oscar
Langendorff in 1895. Before him Carl Ludwig and Elias Cyon in
1846 and 1866, respectively, perfused isolated frog hearts. This
type of preparation and its predecessors led several physiologists
to discover important principles such as the Frank-Starling law,
the role of calcium in cardiac contraction, the chemical
transmission of the vagus, the “treppe” (staircase) phenomenon
and the potassium induced cardioplegia among others. The main
adaptations made at our laboratory include the use of an
intraventricular balloon in order to measure the left ventricular
pressure as well as other contractile function indices, and the
insertion of a catheter in the pulmonary artery so the coronary
flow could be measured and studied. The most relevant
advantages of this method are its reproducibility and low cost,
Palabras clave: preparación de Langendorff, corazón aislado,
presión ventricular, flujo coronario.
*
Médico cirujano; profesor instructor de farmacología, Departamento de
Ciencias Fisiológicas, Facultad de Medicina, Pontificia Universidad
Javeriana.
** Estudiante de XII semestre, Departamento de Ciencias Fisiológicas, Facultad de Medicina, Pontificia Universidad Javeriana.
*** Médico cirujano, farmacólogo; profesor asociado de farmacología, Departamento de Ciencias Fisiológicas, Facultad de Medicina, Pontificia
Universidad Javeriana.
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also it gives the chance to study the heart in the absence of
confounding external regulatory mechanisms and the ease to
perform ischaemia-reperfusion studies. The most important
disadvantage are its unphysiological pre and postload as well as
the high coronary flow. This model will be of utmost importance
in the future as more adaptations are made for the application in
transgenic models of cardiovascular diseases in rats and mice.
mental ha demostrado en todos los laboratorios del mundo
ser un método muy valioso para obtener datos sobre la fisiología, fisiopatología y farmacología cardiaca.
Key words: Langendorff preparation, isolated heart, ventricular
pressure, coronary flow.
El propósito de este artículo es revisar el montaje usado
por Langendorff en sus experimentos, para así poder describir en detalle las adaptaciones usadas en nuestro laboratorio
con el fin de discutir sus aplicaciones experimentales, ventajas y desventajas.
INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA DE O. LANGENDORFF
En 1895, el médico y fisiólogo alemán Oscar Langendorff
(1853-1909) publicó un trabajo titulado Untersuchungen am
überlebenden Säugertierhersen en la revista Pflügers Archives für der Gesamten Physiologie, en el cual describía un
método para mantener vivo un corazón aislado de mamífero,
en este caso en particular, de oveja.
El principio básico de esta preparación radica en la posibilidad de perfundir las arterias coronarias usando una cánula de
perfusión retrograda posicionada en la aorta donde, gracias a
una presión de perfusión adecuada del líquido nutriente, se
mantiene cerrada la válvula aórtica y el flujo se desvía en su
totalidad hacia el orificio de las coronarias, nutriendo la masa
ventricular, sin existir llenado ventricular[2, 3].
Langendorff no fue el primero en experimentar con corazones aislados perfundidos. Carl Ludwig junto con Wild, uno
de sus estudiantes, propusieron en 1846 un método para aislar
y perfundir un corazón de rana. Después de ellos, Elias Cyon
(discípulo de Claude Bernard) trabajando en el Instituto de
Fisiología de Carl Ludwig en la Universidad de Leipzig, describió realmente en 1866 la manera de aislar y perfundir
exitosamente corazones de rana. Gracias a esta preparación
experimental, Cyon caracterizó por primera vez la relación
entre la temperatura y la frecuencia cardiaca, y propuso los
primeros conceptos electromecánicos del sistema de excitación-contracción[1]. Modificaciones subsecuentes de esta técnica permitieron a Henry Pickering y Bowditch describir el
fenómeno escalera (treppe) al estimular eléctricamente el ápice
cardiaco —en estos experimentos, también, observó la ley del
todo o nada, el período refractario absoluto y el origen de la
automaticidad cardiaca—; a Sydney Ringer, deducir el papel
del calcio en la contracción cardiaca; a Otto Frank, descubrir
la famosa ley del corazón (ley de Frank-Starling) descrita en
1895; y a Otto Loewi, demostrar la transmisión química del
nervio vago en el corazón[1].
En el montaje original descrito por O. Langendorff (figura 1), la cánula aórtica (M) se encuentra conectada al corazón
(L), el cual se aloja en un pequeño recipiente (F). La cánula
está conectada a través de un tubo al reservorio (B) donde se
encuentra el fluido de perfusión (sangre en la preparación original). Este reservorio (B) se llena desde un recipiente ubicado sobre él (K). Tanto B como F están dentro de un baño con
agua a temperatura constante (N); la temperatura determinada se alcanza mediante un mechero de Bunsen (O). La presión de perfusión es regulada con precisión por un sistema
compuesto por un manómetro (C) conectado a una válvula
(H). La presión de perfusión se genera desde una botella (A).
La actividad del corazón aislado se registra mediante un hilo
que va desde el ápice cardiaco a la membrana de una cápsula
de Marey pasando por una polea. El desplazamiento de la
membrana se transmite a una palanca y el trazado se registra
en un kimógrafo (inventado por Carl Ludwig)[ 1].
Gracias al trabajo realizado en 1883 por Henry Newell
Martin (asistente de Thomas Huxley) se logró la primera preparación de corazón de mamífero aislado. Utilizaba para esta
preparación perros o gatos anestesiados, con curarina y
artificialmente ventilados. Se requería un montaje muy complejo para mantener la preparación viable.
Finalmente, y gracias a su publicación Investigaciones
sobre la supervivencia del corazón mamífero, Oscar
Langendorff abrió definitivamente las puertas para la investigación sobre la mecánica, el metabolismo y la farmacología
del corazón, así como, el estudio de la fisiología de la perfusión coronaria. Más de 100 años después, esta técnica experi-
Figura 1. Preparación original de Langendorff, leer explicación en el texto.
Tomada de: Zimmer HG. The isolated perfused heart and its pioneers. News
Physiol Sci 1998; 13: 203-210 (reproducida con autorización del Dr. Zimmer).
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Usando la preparación descrita, Langendorff observó inicialmente que en el momento en que se restablecía el flujo
coronario en un corazón completamente escindido del animal
(supuestamente muerto o moribundo), se reiniciaba la actividad contráctil espontánea perdida, y que este fenómeno era
independiente del llenado ventricular, pues el corazón latía en
vacío. De ahí concluyó que una de las propiedades intrínsecas
del corazón era su excitabilidad. Otros aportes de Langendorff
mediante esta preparación fueron la demostración de la
cardioplejía inducida por el cloruro de potasio; los efectos
cronotrópico e inotrópico negativos de la muscarina (muy similares a los observados con la estimulación del vago) y su
antagonismo con la atropina; el efecto de la temperatura sobre la frecuencia cardiaca; la potenciación postextrasistólica
inducida por un estímulo eléctrico simple; la fibrilación provocada por estímulos repetidos a mayor frecuencia e intensidad; y la falla de bomba y paro cardiaco generados al ligar las
coronarias los cuales se podían revertir si se reestablecía el
flujo[1].
Figura 3. Montaje de la preparación de Langendorff en el laboratorio de Fisiología y Farmacología.
PREPARACIÓN DE LANGENDORFF
EN EL LABORATORIO DE FISIOLOGÍA Y
FARMACOLOGÍA (FIGURAS 2 A 4)
Figura 4. A: frascos de Mariotte con solución nutriente Tyrode; B: cánula
aorta fijada de tal forma que el corazón queda dentro de la cámara de órgano
aislado.
Figura 2. Esquema del montaje de la preparación de Langendorff en el laboratorio de Fisiología y Farmacología: 1) fuente de oxígeno; 2) solución
nutriente Tyrode; 3) frasco de Mariotte; 4) sistema regulador de temperatura constante; 5) baño a temperatura constante; 6) bomba del circuito externo; 7) filtro de burbujas; 8) colateral hermética para la administración de
fármacos en el líquido de perfusión coronaria; 9) cánula de perfusión retrógrada sujetada a la aorta; 10) catéter de polietileno PE 20 ubicado en el
ventrículo derecho para el registro del flujo coronario; 11) catéter de
polietileno PE 20 del balón intraventricular; 12) balón de látex ubicado a
nivel del ventrículo izquierdo; 13) colateral con columna de solución
nutriente; 14) transductor electrónico que registra la presión del ventrículo
izquierdo; 15) transductor electrónico que registra la presión de perfusión;
16) altura de la columna de solución nutriente, presión de perfusión en cm
de H20.
Los procedimientos se realizan en ratas Wistar de 350 a
450 g de peso, las cuales son anestesiadas con pentobarbital
sódico, 50 mg/kg, intraperitoneal. Hay que tener en cuenta
que este anestésico es depresor cardiorrespiratorio y puede
llevar a disminución de fosfatos de alta energía en el
cardiomiocito[4]. También se debe evitar perturbar el animal
durante la manipulación previa, con el fin de no generar una
descarga de catecolaminas. Por la misma razón, no es recomendable obtundir y decapitar el animal como parte del procedimiento.
Una vez anestesiado el animal, se hace disección roma
y se identifica la vena femoral profunda donde se inyectan
500 U de heparina no fraccionada con el fin de evitar
trombos intracavitarios e intracoronarios que destruirían
la preparación.
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Acto seguido, se practica una traqueostomía y se inicia ventilación mecánica con un ventilador Harvard Apparatus, adaptado en nuestro laboratorio para animales pequeños, con un volumen
corriente de 10-15 ml y una frecuencia de 45 por minuto.
Se hace una incisión en la línea media desde el abdomen
hasta el cuello, retirándose el esternón por completo y exponiendo toda la cavidad torácica. Se identifican las venas cavas
superior e inferior y se reparan con suturas de seda. Rápidamente se retira el corazón de la cavidad, teniendo especial cuidado de cortar la aorta en un punto distal a la primera rama del
cayado de manera que se pueda introducir la cánula de perfusión 5 a 10 mm sin riesgo de ocluir el orificio de las coronarias
o atravesar la válvula aórtica. Previo a la introducción de la
cánula, ésta se purga durante algunos minutos para garantizar
la ausencia de burbujas de aire en el sistema y la salida de líquido de perfusión a la temperatura adecuada. Una vez se introduce la cánula, se fija con un clamp arterial lo cual facilita la
colocación definitiva de dos suturas, una distal y otra proximal,
en la oliva de la cánula. Asegurada la cánula, se ligan las cavas.
Desde la remoción completa del corazón hasta el inicio de la
perfusión transcurren aproximadamente 30 a 90 segundos. La
actividad cardiaca se normaliza a los pocos segundos.
Seguidamente, ya en el corazón perfundido, se realiza una
incisión a nivel de la orejuela de la aurícula izquierda por donde
se introduce hasta el ventrículo izquierdo un balón de látex
delgado y distensible unido a un tubo de polietileno PE 20
(figura 5), con el fin de medir la presión intraventricular, su
primera derivada en relación al tiempo (dP/dt) y la frecuencia
cardiaca[3-6]. Antes de cada experimento se determina la relación presión volumen del balón, y sólo se utiliza el balón si,
con un volumen mayor o igual a 0,4 ml, la presión es cero. El
volumen de la pared del balón y del tubo dentro de él se miden por desplazamiento de agua con el balón completamente
vacío (este volumen está alrededor de 0,2 ml). Este valor se
debe añadir al volumen inyectado dentro del balón para obtener el volumen intraventricular total[5]. Este método permite
la estandarización y el control de las condiciones iniciales a
diferencia del transductor de tensión que utiliza un hilo en el
ápice. La presión se mide conectando el catéter del balón a un
transductor electrónico de presión (figura 6) el cual envía su
señal a un polígrafo Grass 7D (Quincy, Massachusetts) en el
que se obtiene un trazado gráfico en papel. Simultáneamente,
la señal se envía a un PowerLab (AD Instruments) el cual por
medio del software Chart 3.5 permite obtener un registro digital
de la onda de presión ventricular (figura 7).
Posteriormente, se introduce un catéter delgado de
polietileno PE 20 a través de la arteria pulmonar, se aloja en el
ventrículo derecho y se fija a la base de la arteria (figura 5).
Esto con el fin de recoger y cuantificar el flujo coronario proveniente del seno coronario que drena en la aurícula derecha y el
afluente venoso de Tebesio que drena el ventrículo derecho.
Figura 5. A: visión anterior del corazón; se observa la cánula de perfusión
retrógrada en la aorta fijada en su posición por dos suturas, catéter entrando
por la arteria pulmonar hacia el ventrículo derecho y catéter del balón entrando por la aurícula hacia el ventrículo izquierdo. B: se observa el balón de
látex inflado y ubicado en el ventrículo izquierdo.
Figura 6. Se observa la cámara cardiaca, el papel filtro que cubre la abertura
superior de la cámara, transductores de presión (punta de flecha), el catéter proveniente del balón intraventricular conectado al transductor de presión (flecha
izquierda) y el catéter que recoge el flujo sanguíneo coronario (flecha derecha).
Figura 7. Polígrafo Grass 7D (izquierda) y sistema digital PowerLab (derecha).
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Una vez el balón y el catéter se encuentran en posición, se
fija la cánula a un soporte de manera que el corazón permanezca suspendido dentro de una cámara de órgano aislado a
temperatura constante de 37ºC (figura 8). Se obtura la abertura superior de la cámara con un papel de filtro húmedo para
evitar que se seque la preparación.
La presión de perfusión debe estar entre 60 y 100 mm Hg.
Ésta se registra mediante una salida lateral de la cánula de
perfusión a un sistema de dos llaves de tres vías que permite
obtener una medición de presión en cm de agua (la cual se
convierte luego a mm Hg) y, simultáneamente, a un transductor
electrónico de presión previamente calibrado en mm Hg que
permite obtener un registro en el polígrafo Grass 7D y en el
PowerLab (figuras 7 y 9).
El líquido de perfusión en nuestro laboratorio es la solución de Tyrode, cuya composición en mmol/L es la siguiente:
NaCl, 136,75; MgCl2, 1,05; NaH2PO4, 0,41; NaHCO3, 11,9;
CaCl2, 1,8; KCl, 2,68; dextrosa, 5,53; osmolaridad de 315,76
mosm/L. El pH de la solución a 37ºC y con oxigenación se
mantiene dentro de rangos fisiológicos.
Las características más importantes de este sistema son
las siguientes: 1) la presión de perfusión coronaria se mantiene dentro de un rango constante lo cual permite una variación de flujo de acuerdo con los mecanismos de
autorregulación; el nivel de presión se ajusta variando la altura h del recipiente de la solución de perfusión; 2) la contracción ventricular es isovolumétrica; 3) la estabilidad de
la contractilidad cardiaca se determina mediante las curvas
de presión-volumen y dosis-respuesta al calcio[4, 5]; 4) la
función contráctil se deteriora progresivamente a una tasa
de 5-10% cada hora (4) a causa del uso de una solución
cristaloide y el edema que ésta produce; 5) el flujo coronario
esperado se encuentra entre 8-12 ml.min-1.g-1 de tejido
(aproximadamente, 10 veces mayor que el flujo fisiológico)[4, 5]; 6) la frecuencia cardiaca espontánea está entre 200250 latidos por minuto; la frecuencia normal in vivo es de
300 latidos por minuto[7]; esta diferencia se explica por la
desaparición de la irrigación auricular durante el procedimiento quirúrgico pues ésta es extracardiaca.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Dentro de las ventajas de este modelo experimental per se
están su reproducibilidad, la cantidad de datos que puede aportar, la facilidad de realizar muchos experimentos con una sola
preparación y su bajo costo (si se usan animales más grandes
como perros o cerdos, los costos aumentan considerablemente)[4, 6].
Figura 8. Corazón de rata aislado, perfundido y suspendido dentro de la cámara de órgano aislado a temperatura constante 37ºC; se observa la salida de
los dos catéteres.
Como modelo de órgano aislado, tiene la gran ventaja de
poder medir variables en la ausencia de factores de confusión derivados de la acción reguladora extrínseca, por ejemplo, la circulación sistémica, los factores neurohumorales
circulantes y las células sanguíneas[4, 6]. Inclusive es posible añadir los factores neurohumorales de manera controlada en el líquido de perfusión (figuras 10 y 11). Asimismo, al
poder controlar la composición del líquido de perfusión, se
pueden llevar a cabo estudios precisos y exactos de dosisrespuesta a intervenciones metabólicas o farmacológicas (figuras 12 y 13).
La posibilidad de controlar la presión de perfusión permite modificar de modo previsible las condiciones de isquemia
y reperfusión. A su vez, la inducción de isquemia global produce una respuesta homogénea del tejido que facilita los análisis bioquímicos. También permite realizar intervenciones
antes de la remoción del corazón y durante la perfusión, antes
o después de inducir isquemia[6].
Figura 9. Cánula de perfusión retrógrada.
Por último, esta preparación permite continuar los experimentos a pesar de circunstancias que, para una preparación in
vivo, serían mortales (falla de bomba, paro cardiaco o
arritmias)[4] (figura 14).
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Figura 10. Adición controlada de acetilcolina en el líquido de perfusión
coronaria en la preparación de Langendorff; se observa el efecto en la frecuencia, la amplitud y el tono de las ondas de la presión ventricular izquierda;
registro en Chart 3.5.
Figura 11. Adición controlada de adrenalina en el líquido de perfusión
coronaria en la preparación de Langendorff; arriba se observa un registro
tacográfico que evidencia el efecto de taquicardia y abajo el efecto sobre la
amplitud de las ondas de presión ventricular izquierda; registro en Chart 3.5.
Figura 14. Reversión de una arritmia cardiaca con amiodarona administrada
en el líquido de perfusión coronaria en la preparación de Langendorff; registro en Chart 3.5.
Sin embargo, hay que tener en cuenta que esta preparación
se deteriora rápidamente, requiriendo estricto control de la temperatura y la presión de perfusión para ser viable, desarrollar
una función contráctil adecuada y no falsear la interpretación
en estudios de extensión de tejido infartado. Asimismo, está un
paso alejada de la fisiología normal al no poseer función de
bomba pues no hay pre ni poscarga reales, ni tampoco inervación
neurovegetativa (que puede ser una ventaja como se mencionó
anteriormente). Debido a que la solución de perfusión tiene baja
capacidad de transporte de oxígeno se requieren altos flujos
coronarios, muy lejanos a lo fisiológico (aproximadamente, 10
veces mayores como ya se explicó)[4].
Desde el punto de vista de especies, la rata posee un potencial de acción muy corto, de manera que los estudios de
arritmias y fármacos antiarrítmicos se ven limitados en su
extrapolación a humanos[4]. Asimismo, la rata (y el conejo)
no desarrollan vasculatura colateral de manera que la oclusión de una coronaria limita el flujo hasta niveles por debajo
de la supervivencia celular.
USOS
Figura 12. Aumento controlado de la concentración de calcio en el líquido de
perfusión coronaria en la preparación de Langendorff; se observa claramente
el efecto en la amplitud de las ondas de la presión del ventrículo izquierdo;
registro en Chart 3.5.
Este tipo de preparación es particularmente útil para el estudio del metabolismo y la bioquímica miocárdica, la protección farmacológica en la isquemia, la protección endógena
en el preacondicionamiento isquémico, la hibernación
(stunning) miocárdica, las lesiones por reperfusión, la fisiología de la transducción de señales y la isquemia por bajo
flujo. También se pueden llevar a cabo estudios morfológicos
con microscopía de luz o electrónica en las cuales la fijación
se puede hacer por perfusión coronaria[4, 6].
Asimismo, se han realizado numerosos estudios de
fármacos anestésicos sobre la función cardiaca[3].
Figura 13. Cambio en la amplitud y en la dP/dt de la curva de contracción
ventricular izquierda después del aumento controlado de calcio en el líquido de
la perfusión coronaria en la preparación de Langendorff; registro en Chart 3.5.
Desde el punto de vista bioquímico, el modelo permite
medir diferencias arteriovenosas de sustancias como lactato,
oxígeno y fosfatos de alta energía. Usando técnicas más complejas que incluyen la perfusión dentro de un aparato de re-
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sonancia magnética, se pueden medir iones como calcio,
protones o sodio. Usando espectrofotometría de reflectancia
fluoroscópica de superficie se ha logrado medir el NADH y
sus intermediarios[4].
Varios índices de función contráctil son fácilmente
medibles o calculables, tales como la relación presión-volumen, el área de presión-volumen (que refleja la energía mecánica total realizada por el ventrículo) y Emax (la pendiente
de la relación presión-volumen de fin de sístole)[4, 5, 8].
Un uso poco explotado es la reactividad vascular y las
funciones del músculo liso vascular y el endotelio en la regulación del flujo coronario[4].
Finalmente, y gracias a la caracterización de la técnica
en ratones, en un futuro se verán más usos en modelos
transgénicos de enfermedades cardiovasculares[8-10]. También se ha logrado conservar la inervación autonómica en una
variante de la preparación en conejos descrito por Ng et al., lo
cual ampliará el espectro de posibles usos fisiológicos y
farmacológicos[11]. Con el reciente descubrimiento de la secuencia del genoma de la rata, surgirán nuevos modelos
transgénicos de enfermedades cardiovasculares, en los cuales
será fundamental la experimentación en órgano aislado mediante la preparación de Langendorff[12].
CONCLUSIONES
La elección de un modelo experimental depende en gran medida del problema que se va a examinar y de la hipótesis que
se va a someter a prueba. El modelo aquí descrito se puede
usar para responder una amplia gama de preguntas concernientes a la fisiología, la fisiopatología y la farmacología
cardiaca, teniendo una serie de limitantes que, si se controlan
y se discuten juiciosamente, permiten obtener datos de muy
buena calidad y relevancia, paso fundamental para un buen
análisis del diseño experimental.
Muchas respuestas fisiológicas, fisiopatológicas y
farmacológicas del corazón se han descubierto y estudiado
desde hace más de 100 años usando esta preparación de órgano aislado lo cual ha generado invaluables aportes a nuestro conocimiento sobre el corazón mamífero, y ha convertido
a la preparación de Langendorff en uno de los modelos experimentales de primera línea en la investigación básica de
este órgano.
La historia ha demostrado que la medicina experimental
ha sido uno de los pilares que actualmente soporta gran parte de nuestros conocimientos en medicina clínica y es por
esto que debemos dedicar buena parte de nuestros esfuerzos
a comprender y usar adecuadamente este tipo de modelos
experimentales.
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