Il pacemaker più piccolo del mondo viene attivato dalla luce

Il minuscolo dispositivo può essere inserito con una siringa, quindi si dissolve quando non è più necessario.

 

 

Gli ingegneri della Northwestern University hanno sviluppato un pacemaker così piccolo che può entrare nella punta di una siringa ed essere iniettato in modo non invasivo nel corpo.

Sebbene possa funzionare con cuori di tutte le dimensioni, il pacemaker è particolarmente adatto ai cuori piccoli e fragili dei neonati con difetti cardiaci congeniti.

Più piccolo di un singolo chicco di riso, il pacemaker è abbinato a un dispositivo indossabile piccolo, morbido, flessibile, wireless che si monta sul torace del paziente per controllare la stimolazione.

Quando il dispositivo indossabile rileva un battito cardiaco irregolare, emette automaticamente un impulso luminoso per attivare il pacemaker.

Questi brevi impulsi, che penetrano attraverso la pelle, lo sterno e i muscoli del paziente, controllano la stimolazione.

Progettato per i pazienti che necessitano solo di una stimolazione temporanea, il pacemaker si dissolve semplicemente dopo che non è più necessario.

Tutti i componenti del pacemaker sono biocompatibili, quindi si dissolvono naturalmente nei biofluidi del corpo, bypassando la necessità di estrazione chirurgica.

Lo studio è pubblicato il 2 aprile sulla rivista Nature. Il documento dimostra l’efficacia del dispositivo su una serie di modelli animali grandi e piccoli, nonché su cuori umani di donatori di organi deceduti.

“Abbiamo sviluppato quello che è, per quanto ne sappiamo, il pacemaker più piccolo del mondo”, ha detto il pioniere della bioelettronica nordoccidentale John A. Rogers, che ha guidato lo sviluppo del dispositivo.

“C’è un bisogno cruciale di pacemaker temporanei nel contesto degli interventi chirurgici cardiaci pediatrici, e questo è un caso d’uso in cui la miniaturizzazione delle dimensioni è incredibilmente importante. In termini di carico del dispositivo sul corpo, più piccolo è, meglio è”.

“La nostra principale motivazione erano i bambini”, ha detto il cardiologo sperimentale della Northwestern Igor Efimov, che ha co-condotto lo studio.

“Circa l’1% dei bambini nasce con difetti cardiaci congeniti, indipendentemente dal fatto che vivano in un paese con o con poche risorse. La buona notizia è che questi bambini hanno bisogno solo di una stimolazione temporanea dopo un intervento chirurgico. In circa sette giorni circa, il cuore della maggior parte dei pazienti si riparerà da solo. Ma quei sette giorni sono assolutamente critici. Ora possiamo posizionare questo minuscolo pacemaker sul cuore di un bambino e stimolarlo con un dispositivo morbido, delicato e indossabile. E non è necessario alcun intervento chirurgico aggiuntivo per rimuoverlo”.

Rogers è professore di scienza e ingegneria dei materiali, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica presso la Northwestern – dove ha incarichi presso la McCormick School of Engineering e la Feinberg School of Medicine – e direttore del Querrey Simpson Institute of Bioelectronics. Efimov è professore di ingegneria biomedica alla McCormick e professore di medicina (cardiologia) alla Feinberg. Rogers ed Efimov hanno co-condotto lo studio con Yonggang Huang, professore di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale presso McCormick; Wei Ouyang, assistente professore di ingegneria al Dartmouth College; e Rishi Arora, professore di medicina presso l’Università di Chicago.

Soddisfare un’esigenza clinica insoddisfatta

Questo lavoro si basa su una precedente collaborazione tra Rogers ed Efimov, in cui hanno sviluppato il primo dispositivo dissolubile per la stimolazione temporanea.

Molti pazienti necessitano di pacemaker temporanei dopo un intervento chirurgico al cuore, in attesa di un pacemaker permanente o per ripristinare una frequenza cardiaca normale durante il recupero.

Per l’attuale standard di cura, i chirurghi cuciono gli elettrodi sul muscolo cardiaco durante l’intervento chirurgico.

I fili degli elettrodi escono dalla parte anteriore del torace di un paziente, dove si collegano a una scatola di stimolazione esterna che eroga una corrente per controllare il ritmo cardiaco.

Quando il pacemaker temporaneo non è più necessario, i medici rimuovono gli elettrodi del pacemaker. Le potenziali complicanze includono infezioni, dislocazioni, tessuti strappati o danneggiati, sanguinamento e coaguli di sangue.

“I fili sporgono letteralmente dal corpo, attaccati a un pacemaker all’esterno del corpo”, ha detto Efimov. “Quando il pacemaker non è più necessario, un medico lo estrae. I fili possono essere avvolti nel tessuto cicatriziale. Quindi, quando i fili vengono estratti, ciò può potenzialmente danneggiare il muscolo cardiaco. Questo è in realtà il modo in cui è morto Neil Armstrong. Aveva un pacemaker temporaneo dopo un intervento chirurgico di bypass. Quando i fili sono stati rimossi, ha avuto un’emorragia interna”.

In risposta a questa esigenza clinica, Rogers, Efimov e i loro team hanno sviluppato il loro pacemaker dissolvibile, che è stato introdotto in Nature Biotechnology nel 2021.

Il dispositivo sottile, flessibile e leggero ha eliminato la necessità di batterie ingombranti e hardware rigido, compresi i cavi. Il laboratorio di Rogers aveva precedentemente inventato il concetto di medicina elettronica bioriassorbibile: l’elettronica che fornisce un beneficio terapeutico al paziente e poi si dissolve innocuamente nel corpo come suture riassorbibili.

Variando la composizione e lo spessore dei materiali in questi dispositivi, il team di Rogers può controllare il numero preciso di giorni in cui rimangono funzionali prima di dissolversi.

Batteria alimentata a fluido corporeo

Mentre il pacemaker dissolubile originale di un quarto ha funzionato bene negli studi preclinici sugli animali, i cardiochirurghi hanno chiesto se fosse possibile rendere il dispositivo più piccolo.

Allora sarebbe più adatto per l’impianto non invasivo e per l’uso nei pazienti più piccoli.

Ma il dispositivo era alimentato da protocolli di comunicazione near-field, la stessa tecnologia utilizzata negli smartphone per i pagamenti elettronici e nei tag RFID, che richiedevano un’antenna integrata.

“Il nostro pacemaker originale ha funzionato bene”, ha detto Rogers. “Era sottile, flessibile e completamente riassorbibile. Ma le dimensioni della sua antenna ricevente hanno limitato la nostra capacità di miniaturizzarla. Invece di utilizzare lo schema di radiofrequenza per il controllo wireless, abbiamo sviluppato uno schema basato sulla luce per accendere il pacemaker e fornire impulsi di stimolazione sulla superficie del cuore. Questa è una caratteristica che ci ha permesso di ridurre drasticamente le dimensioni”.

Per aiutare a ridurre ulteriormente le dimensioni del dispositivo, i ricercatori hanno anche reinventato la sua fonte di alimentazione. Invece di utilizzare la comunicazione in campo vicino per fornire energia, il nuovo, minuscolo pacemaker funziona attraverso l’azione di una cella galvanica, un tipo di semplice batteria che trasforma l’energia chimica in energia elettrica.

In particolare, il pacemaker utilizza due metalli diversi come elettrodi per fornire impulsi elettrici al cuore.

Quando vengono a contatto con i biofluidi circostanti, gli elettrodi formano una batteria. Le reazioni chimiche risultanti fanno fluire la corrente elettrica per stimolare il cuore.

“Quando il pacemaker viene impiantato nel corpo, i biofluidi circostanti agiscono come l’elettrolita conduttore che unisce elettricamente quei due cuscinetti metallici per formare la batteria”, ha detto Rogers.

“Un minuscolo interruttore attivato dalla luce sul lato opposto della batteria ci consente di portare il dispositivo dal suo stato ‘spento’ a uno stato ‘acceso’ al momento dell’erogazione della luce che passa attraverso il corpo del paziente dal cerotto montato sulla pelle”.

Pulsare di luce

Il team ha utilizzato una lunghezza d’onda infrarossa della luce che penetra in profondità e in modo sicuro nel corpo.

Se la frequenza cardiaca del paziente scende al di sotto di una certa frequenza, il dispositivo indossabile rileva l’evento e attiva automaticamente un diodo a emissione luminosa.

La luce quindi si accende e si spegne a una frequenza che corrisponde alla frequenza cardiaca normale.

“La luce infrarossa penetra molto bene attraverso il corpo”, ha detto Efimov. “Se metti una torcia contro il palmo della mano, vedrai la luce brillare dall’altro lato della tua mano. Si scopre che i nostri corpi sono grandi conduttori di luce”.

Anche se il pacemaker è così piccolo – misura solo 1,8 millimetri di larghezza, 3,5 millimetri di lunghezza e 1 millimetro di spessore – fornisce comunque la stessa stimolazione di un pacemaker di dimensioni standard.

“Il cuore richiede una piccola quantità di stimolazione elettrica”, ha detto Rogers.

“Riducendo al minimo le dimensioni, semplifichiamo notevolmente le procedure di impianto, riduciamo i traumi e i rischi per il paziente e, grazie alla natura dissolubile del dispositivo, eliminiamo la necessità di procedure di estrazione chirurgica secondaria”.

Sincronizzazione più sofisticata

Poiché i dispositivi sono così piccoli, i medici potrebbero distribuirne in gruppo in tutto il cuore.

Un colore di luce difficile potrebbe illuminarsi per controllare in modo indipendente un pacemaker specifico.

L’uso di più pacemaker in questo modo consente una sincronizzazione più sofisticata rispetto alla stimolazione tradizionale.

In casi particolari, diverse aree del cuore possono essere stimolate a ritmi diversi, ad esempio per porre fine alle aritmie.

“Possiamo dispiegare un certo numero di pacemaker così piccoli all’esterno del cuore e controllarli tutti”, ha detto Efimov.

“In questo modo possiamo ottenere una migliore assistenza funzionale sincronizzata. Potremmo anche incorporare i nostri pacemaker in altri dispositivi medici come le sostituzioni delle valvole cardiache, che possono causare il blocco cardiaco”.

“Poiché è così piccolo, questo pacemaker può essere integrato con quasi tutti i tipi di dispositivi impiantabili”, ha detto Rogers.

“Abbiamo anche dimostrato l’integrazione di raccolte di questi dispositivi attraverso le strutture che fungono da sostituti transcatetere della valvola aortica. Qui, i minuscoli pacemaker possono essere attivati secondo necessità per affrontare le complicazioni che possono verificarsi durante il processo di recupero di un paziente. Questo è solo un esempio di come possiamo migliorare gli impianti tradizionali fornendo una stimolazione più funzionale”.

La versatilità della tecnologia apre un’ampia gamma di altre possibilità per l’uso nei farmaci bioelettronici, tra cui aiutare i nervi e le ossa a guarire, trattare le ferite e bloccare il dolore.

 

 

 

Foto: John A. Rogers/Northwestern University