Progettato un pacemaker senza batteria alimentato dalla luce che può migliorare la qualità della vita dei pazienti con malattie cardiache
La fibrillazione atriale, una forma di battito cardiaco irregolare o aritmia, porta a oltre 454.000 ricoveri e quasi 160.000 decessi negli Stati Uniti ogni anno. A livello globale, si stima che circa 60 milioni di persone siano colpite dalla condizione.
I pacemaker sono dispositivi salvavita che regolano il battito cardiaco delle persone con malattie cardiache croniche come la fibrillazione atriale e altre forme di aritmia. Tuttavia, l'impianto di pacemaker è una procedura invasiva e la stimolazione salvavita fornita dai dispositivi può essere estremamente dolorosa. Inoltre, i pacemaker possono essere utilizzati solo per il trattamento di alcuni tipi specifici di malattie.
Il monitoraggio e il controllo della funzione cardiaca sono fondamentali per lo studio della fisiopatologia cardiovascolare e lo sviluppo di terapie salvavita. Tuttavia, la stimolazione cronica del cuore in piccoli animali che si muovono liberamente, che offrono una varietà di genotipi e fenotipi, è attualmente difficile. In particolare, non è attualmente possibile il controllo in tempo reale della funzione cardiaca con un'elevata risoluzione spaziale e temporale.
In un articolo, pubblicato su Science Advances (1), un team di ricercatori guidato dall'University of Arizona descrive in dettaglio il funzionamento di un pacemaker wireless e senza batteria che ha progettato che potrebbe essere impiantato con una procedura meno invasiva di quella attualmente possibile e causerebbe meno dolore ai pazienti. Lo studio è stato condotto da ricercatori del Gutruf Lab (2), guidati dall'assistente professore di ingegneria biomedica e dal professore di facoltà di Craig M. Berge Philipp Gutruf. (3)
I pacemaker attualmente disponibili funzionano impiantando uno o due elettrocateteri, o punti di contatto, nel cuore con ganci o viti. Se i sensori su questi elettrocateteri rilevano un'irregolarità pericolosa, inviano una scarica elettrica attraverso il cuore per azzerare il battito.
«Tutte le cellule all'interno del cuore vengono colpite contemporaneamente, compresi i recettori del dolore, e questo è ciò che rende dolorosa la stimolazione o la defibrillazione», ha affermato Gutruf. «Colpisce il muscolo cardiaco nel suo insieme».
Il dispositivo sviluppato dal team di Gutruf, che non è stato ancora testato sull'uomo, consentirebbe ai pacemaker di inviare segnali molto più mirati utilizzando un nuovo design a maglie prodotto digitalmente che abbraccia l'intero cuore. Il dispositivo utilizza la luce e una tecnica chiamata optogenetica.
L'optogenetica modifica le cellule, di solito i neuroni, sensibili alla luce, quindi usa la luce per influenzare il comportamento di quelle cellule. Questa tecnica prende di mira solo i cardiomiociti, le cellule del muscolo che innescano la contrazione e compongono il battito del cuore. Questa precisione non solo ridurrà il dolore per i pazienti con pacemaker bypassando i recettori del dolore del cuore, ma consentirà anche al pacemaker di rispondere a diversi tipi di irregolarità in modi più appropriati. Ad esempio, durante la fibrillazione atriale, le camere superiore e inferiore del cuore battono in modo asincrono e il ruolo di un pacemaker è quello di rimettere in linea le due parti.
«Mentre in questo momento, dobbiamo scioccare tutto il cuore per farlo, questi nuovi dispositivi possono fare un targeting molto più preciso, rendendo la defibrillazione sia più efficace che meno dolorosa», ha affermato il dottor Igor Efimov (4), professore di ingegneria biomedica e medicina presso la Northwestern University, dove i dispositivi sono stati testati in laboratorio. «Questa tecnologia potrebbe semplificare la vita ai pazienti di tutto il mondo, aiutando anche scienziati e medici a saperne di più su come monitorare e curare la malattia».
La rete flessibile abbraccia il cuore
Per garantire che i segnali luminosi possano raggiungere molte parti diverse del cuore, il team ha creato un progetto che prevede l'inclusione dell'organo, piuttosto che l'impianto di elettrocateteri che forniscono punti di contatto limitati.
Il nuovo modello di pacemaker è costituito da quattro strutture a forma di petalo costituite da una pellicola sottile e flessibile, che contengono sorgenti luminose e un elettrodo di registrazione. I petali, appositamente progettati per accogliere il modo in cui il cuore cambia forma mentre batte, si ripiegano attorno ai lati dell'organo per avvolgerlo, come un fiore che si chiude di notte.
«I pacemaker attuali registrano fondamentalmente una soglia semplice e ti segnalano che sta andando in aritmia», Ha detto Gutruf. «Ma questo dispositivo ha un computer a bordo in cui puoi inserire diversi algoritmi che ti consentono di eseguire il ritmo in un modo più sofisticato. È fatto per la ricerca».
Poiché il sistema utilizza la luce per influenzare il cuore, anziché i segnali elettrici, il dispositivo può continuare a registrare le informazioni anche quando il pacemaker deve defibrillare. Negli attuali pacemaker, il segnale elettrico della defibrillazione può interferire con le capacità di registrazione, lasciando ai medici un quadro incompleto degli episodi cardiaci. Inoltre, il dispositivo non richiede una batteria, il che potrebbe evitare ai pazienti portatori di pacemaker di dover sostituire la batteria del dispositivo ogni cinque o sette anni, come è attualmente la norma.
Il team di Gutruf ha collaborato al progetto con i ricercatori della Northwestern University. Sebbene l'attuale versione del dispositivo sia stata dimostrata con successo su modelli animali, i ricercatori non vedono l'ora di portare avanti il loro lavoro, che potrebbe migliorare la qualità della vita di milioni di persone.
Riferimenti:
(2) Gutruf Lab
(3) Philipp Gutruf
(4) Igor Efimov
Descrizione foto: Il dispositivo utilizza la luce e una tecnica chiamata optogenetica, che modifica le cellule sensibili alla luce, quindi usa la luce per influenzare il comportamento di quelle cellule. - Credit: Philipp Gutruff.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Battery-free, light-powered pacemaker may improve quality of life for heart disease patients