Il pacemaker è così piccolo che può essere iniettato non invasivamente nel corpo tramite una siringa.
Il piccolo pacemaker può essere inserito nel corpo con una siringa in modo non invasivo per poi dissolversi dopo che non è più necessario
Sviluppato un pacemaker così piccolo da poter adattarsi alla punta di una siringa.
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. I pacemaker temporanei sono essenziali per la cura dei pazienti con bradicardia di breve durata in impostazioni post-operatoria ed in altri contesti. I dispositivi convenzionali richiedono un intervento chirurgico a cuore aperto invasivo o una chirurgia endovascolare meno invasiva, entrambi impegnativi per i pazienti pediatrici e adulti. Altre complicanze includono rischi di infezioni, lacerazioni e perforazioni del miocardio e di spostamenti di alimentatori esterni e sistemi di controllo.
Più piccolo di un singolo chicco di riso, il nuovo pacemaker è abbinato a un dispositivo minuscolo, morbido, flessibile, wireless e indossabile che si monta sul torace di un paziente per controllare la stimolazione. Quando il dispositivo indossabile rileva un battito cardiaco irregolare, brilla automaticamente un impulso di luce per attivare il pacemaker. Questi impulsi corti - che penetrano attraverso la pelle, lo sterno e i muscoli del paziente - controllano il ritmo.
Progettato per i pazienti che hanno solo bisogno di 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, aggirando la necessità di estrazione chirurgica.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature (1), dimostra l'efficacia del dispositivo attraverso una serie di modelli di animali grandi e piccoli, nonché cuori umani di donatori di organi deceduti.
«Abbiamo sviluppato ciò che è, a nostra conoscenza, il più piccolo pacemaker del mondo», ha dichiarato il dottor John A. Rogers (2), il pioniere della bioelettronica nord occidentale che ha guidato lo sviluppo del dispositivo. «C'è una necessità cruciale per i pacemaker temporanei nel contesto degli interventi di cuore pediatrico, 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, meglio è».
«La nostra principale motivazione è stata i bambini», ha detto il dottor Igor Efimov (3), cardiologo sperimentale che ha condotto lo studio. «Circa l'1% dei bambini nasce con difetti cardiaci congeniti indipendentemente dal fatto che vivano in un paese a bassa o ad alta risorsa. La buona notizia è che questi bambini hanno bisogno di stimoli temporanei solo dopo un intervento chirurgico. In circa sette giorni, la maggior parte dei cuori dei pazienti si sta abituando. Ma quei sette giorni sono assolutamente critici».
Soddisfare un bisogno clinico insoddisfatto
Questo lavoro si basa su una precedente collaborazione tra Rogers ed Efimov, in cui hanno sviluppato il primo dispositivo dissolvibile per la stimolazione temporanea. Molti pazienti richiedono pacemaker temporanei dopo un intervento cardiaco, sia in attesa di un pacemaker permanente o per aiutare a 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 fornisce una corrente per controllare il ritmo del cuore.
Quando il pacemaker temporaneo non è più necessario, i medici rimuovono gli elettrodi del pacemaker. Le potenziali complicanze includono infezione, tessuti strappati o danneggiati, sanguinamento e coaguli di sangue.
Il dottor Igor Efimov racconta: «I fili sporgono letteralmente dal corpo. Quando il pacemaker non è più necessario, un medico lo estrae. I fili possono essere avvolti nel tessuto cicatriziale. Quindi, è proprio quando i fili vengono tirati fuori che possono potenzialmente danneggiare il muscolo cardiaco. È in realtà il motivo per il quale Neil Armstrong è morto (4). Aveva un pacemaker temporaneo dopo un intervento di bypass. Quando i fili sono stati rimossi, ha sperimentato il sanguinamento interno».
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 (5) nel 2021. Il dispositivo sottile, flessibile e leggero ha eliminato la necessità di batterie voluminose e hardware rigidi, compresi i fili. Il laboratorio di Rogers aveva precedentemente inventato il concetto di medicina elettronica bioriassorbibile (6) - elettronica che fornisce un beneficio terapeutico al paziente e quindi si dissolve innocuamente nel corpo come suture assorbibili. 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 alimentato a fluido corporeo
Sebbene il pacemaker dissolvibile funzionava bene in studi pre-clinici sugli animali, i cardiochirurghi preferivano un dispositivo non invasivo più piccolo adatto per l'utilizzo nei pazienti pediatrici. Ma il dispositivo era alimentato da protocolli di comunicazione che prevedevano la medesima tecnologia utilizzata negli smartphone per i pagamenti elettronici e nei tag RFID, che richiedevano un'antenna incorporata.
«Il nostro pacemaker originale ha funzionato bene», ha detto Rogers. «Era sottile, flessibile e completamente riassorbibile. Ma la dimensione dell'antenna del suo ricevitore limitava la nostra capacità di miniaturizzare. Invece di usare lo schema a radiofrequenza per il controllo wireless, abbiamo sviluppato uno schema a base di 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 energia. Invece di utilizzare la comunicazione a campo vicino per fornire energia, il nuovo, piccolo pacemaker opera attraverso l'azione di una cella galvanica, un tipo di batteria semplice 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 sono in contatto con i biofluidi circostanti, gli elettrodi formano una batteria. Le reazioni chimiche risultanti causano il flusso della corrente elettrica per stimolare il cuore.
«Quando il pacemaker viene impiantato nel corpo, i biofluidi circostanti fungono da elettrolita conduttore che si unisce elettricamente a quei due cuscinetti metallici per formare la batteria», ha detto Rogers. «Un piccolo interruttore attivato dalla luce sul lato opposto dalla batteria ci consente di trasformare il dispositivo dallo stato “off” a uno stato “su” al momento della luce che passa attraverso il corpo del paziente dalla patch montata sulla pelle».
Pulsante di luce
Il team ha usato una lunghezza d'onda a infrarossi di luce che penetra in profondità e in sicurezza nel corpo. Se la frequenza cardiaca del paziente scende al di sotto di una certa velocità, il dispositivo indossabile rileva l'evento e attiva automaticamente un diodo a emissione di luce. La luce quindi si lampeggia e si spegne a una velocità che corrisponde alla normale frequenza cardiaca.
«La luce a infrarossi penetra molto bene attraverso il corpo», ha detto Efimov. «Se metti una torcia contro il palmo, vedrai la luce brillare attraverso l'altro lato della mano. Si scopre che i nostri corpi sono ottimi 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 - offre ancora la stessa stimolazione di un pacemaker a grandezza naturale.
«Il cuore richiede una piccola quantità di stimolazione elettrica», spiega Rogers. «Riducendo al minimo le dimensioni, semplifichiamo drasticamente le procedure di impianto, riduciamo il trauma e il rischio per il paziente e, con la natura dissolvibile del dispositivo, eliminiamo qualsiasi necessità di procedure secondarie di estrazione chirurgica».
Sincronizzazione più sofisticata
Poiché i dispositivi sono così piccoli, i medici potrebbero distribuirne collezioni attraverso il cuore. Un colore di luce difficile potrebbe illuminare 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 speciali, diverse aree del cuore possono essere stimolate a diversi ritmi, ad esempio, per interrompere le aritmie.
«Possiamo distribuire una serie di tali piccoli pacemaker sull'esterno del cuore e controllare ciascuno», ha detto Efimov. «Quindi possiamo ottenere cure funzionali sincronizzate migliorate. Potremmo anche incorporare i nostri pacemaker in altri dispositivi medici come la sostituzione delle valvole cardiache, che possono causare blocchi cardiaci».
«Perché è così piccolo, questo pacemaker può essere integrato con quasi ogni tipo di dispositivo impiantabile», sostiene Rogers. «Abbiamo anche dimostrato l'integrazione delle raccolte di questi dispositivi tra i framework che fungono da sostituti della valvola aortica transcatetere. Qui, i piccoli pacemaker possono essere attivati se necessario per affrontare le complicazioni che possono verificarsi durante il processo di recupero di un paziente. Quindi è solo un esempio di come possiamo migliorare le impianti tradizionali fornendo una stimolazione più funzionale».
La versatilità della tecnologia apre una vasta gamma di altre possibilità per l'uso nei medicinali bioelettronici, tra cui aiutare i nervi e le ossa a guarire, curare le ferite e bloccare il dolore.
Il dottor John A. Rogers è il professore di scienze e ingegneria dei materiali di Louis Simpson e Kimberly Querrey, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica presso Northwestern - dove ha appuntamenti presso la McCormick School of Engineering e Feinberg School of Medicine - e il direttore del Querrey Simpson Institute of Bioelectrics. Il dottor Igor Efimov è professore di ingegneria biomedica presso McCormick e professore di medicina (cardiologia) a Feinberg. Rogers ed Efimov hanno condotto lo studio con il dottor Yonggang Huang, il professore di ingegneria meccanica e ingegneria meccanica e ambientale di Jancia e Marcia Achenbach presso McCormick; Wei Ouyang, assistente professore di ingegneria al Dartmouth College; e Rishi Arora, The Harold H. Hines Jr. Professore di medicina all'Università di Chicago.
Riferimenti:
(1) Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy
(2) John A. Rogers
(3) Igor Efimov
(4) Neil Armstrong’s Death, and a Stormy, Secret $6 Million Settlement
(5) Fully implantable and bioresorbable cardiac pacemakers without leads or batteries
(6) Researchers demonstrate first example of a bioresorbable electronic medicine
Descrizione foto: Il piccolo pacemaker si trova accanto a un singolo chicco di riso. Il dispositivo è così piccolo che può essere iniettato non invasivamente nel corpo tramite una siringa. - Credit: John A. Rogers/Northwestern University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: World’s smallest pacemaker is activated by light