Ένα μικροσκοπικό εμφύτευμα μπορεί να εισαχθεί με σύριγγα και να διαλυθεί με ασφάλεια όταν δεν είναι πλέον απαραίτητο. Μηχανικοί από το Πανεπιστήμιο Northwestern ανέπτυξαν έναν εξαιρετικά μικρό βηματοδότη που είναι τόσο μικρός ώστε μπορεί να εισαχθεί στο σώμα με μια σύριγγα.
Αν και είναι συμβατός με καρδιές διαφόρων μεγεθών, είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για τις ευαίσθητες καρδιές των νεογέννητων με συγγενείς καρδιακές ανωμαλίες.
Μικρότερη από έναν κόκκο ρυζιού, η συσκευή λειτουργεί σε συνδυασμό με μια ελαφριά, εύκαμπτη, ασύρματη φορητή συσκευή που εφαρμόζεται στο στήθος του ασθενούς. Όταν ο αισθητήρας της εντοπίσει ακανόνιστο καρδιακό ρυθμό, εκπέμπει αυτόματα έναν παλμό φωτός για να ενεργοποιήσει τον βηματοδότη. Οι σύντομοι αυτοί παλμοί φωτός διαπερνούν το δέρμα, το στέρνο και τον μυϊκό ιστό ώστε να ρυθμίσουν τον καρδιακό ρυθμό.
Σχεδιασμένος για ασθενείς που χρειάζονται μόνο προσωρινή βηματοδότηση, ο βηματοδότης διαλύεται από μόνος του όταν δεν χρειάζεται πλέον. Όλα τα εξαρτήματά είναι βιοσυμβατά, επιτρέποντάς τους να αποδομούνται φυσικά στα βιολογικά υγρά του σώματος. Έτσι, δεn χρειάζεται χειρουργική αφαίρεση.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nature και αποδεικνύει την αποτελεσματικότητα της συσκευής σε σειρά από μοντέλα μεγάλων και μικρών ζώων καθώς και σε ανθρώπινες καρδιές από δότες οργάνων.
Βηματοδότης ελαχίστου μεγέθους
«Έχουμε αναπτύξει, απ’ όσο γνωρίζουμε, τον μικρότερο βηματοδότη στον κόσμο», δήλωσε ο John A. Rogers, πρωτοπόρος στη βιοηλεκτρονική από το Northwestern που ηγήθηκε της ανάπτυξης της συσκευής.
«Υπάρχει σημαντική ανάγκη για προσωρινούς βηματοδότες στο πλαίσιο παιδιατρικών καρδιοχειρουργικών επεμβάσεων και εκεί το μικρό μέγεθος είναι ιδιαίτερα σημαντικό. Όσο μικρότερη η συσκευή, τόσο καλύτερα για τον οργανισμό»
«Η βασική μας κινητήρια δύναμη ήταν τα παιδιά», είπε ο καρδιολόγος πειραματικής ιατρικής Igor Efimov, που ηγήθηκε από κοινού της μελέτης.
«Περίπου το 1% των παιδιών γεννιέται με συγγενείς καρδιοπάθειες – είτε ζουν σε χώρες με χαμηλούς είτε με υψηλούς πόρους. Τα καλά νέα είναι ότι τα περισσότερα από αυτά χρειάζονται μόνο προσωρινή ρύθμιση έπειτα από επέμβαση. Σε περίπου επτά μέρες, οι περισσότερες καρδιές αυτο-επανορθώνονται. Αλλά αυτές οι επτά μέρες είναι κρίσιμες. Τώρα, μπορούμε να τοποθετήσουμε αυτόν τον μικροσκοπικό βηματοδότη στην καρδιά ενός παιδιού και να τον ενεργοποιήσουμε με μια εύκαμπτη φορητή συσκευή. Και δεν απαιτείται επιπλέον χειρουργείο για την αφαίρεσή της».
Κλινική ανάγκη και καινοτομία
Ο Rogers είναι Καθηγητής Υλικών, Βιοϊατρικής Μηχανικής και Νευροχειρουργικής στο Northwestern και Διευθυντής του Ινστιτούτου Querrey Simpson για τη Βιοηλεκτρονική. Μαζί του ηγήθηκαν της μελέτης οι Efimov, Yonggang Huang (Καθηγητής Μηχανολογίας και Πολιτικών/Περιβαλλοντικών Μηχανικών), Wei Ouyang από το Dartmouth College και ο Rishi Arora από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο.
Η εργασία βασίστηκε σε προηγούμενη συνεργασία των Rogers και Efimov, όταν ανέπτυξαν τον πρώτο διαλυόμενο βηματοδότη για προσωρινή χρήση. Πολλοί ασθενείς χρειάζονται προσωρινή βηματοδότηση έπειτα από καρδιοχειρουργική – είτε όσο περιμένουν για μόνιμο βηματοδότη είτε για ανάκτηση φυσιολογικού ρυθμού κατά την ανάρρωση.
Στην κλασική προσέγγιση, οι χειρουργοί ράβουν ηλεκτρόδια στον καρδιακό μυ. Καλώδια από τα ηλεκτρόδια βγαίνουν από το στήθος και συνδέονται με εξωτερική μονάδα που παρέχει ρεύμα για να ρυθμίζει τον καρδιακό παλμό.
«Κυριολεκτικά καλώδια προεξέχουν από το σώμα, συνδεδεμένα με εξωτερική συσκευή», είπε ο Efimov. «Όταν δεν χρειάζονται πλέον, οι γιατροί τα αφαιρούν. Όμως τα καλώδια μπορεί να έχουν ενσωματωθεί στον ουλώδη ιστό. Η αφαίρεσή τους μπορεί να βλάψει τον καρδιακό μυ. Έτσι ακριβώς πέθανε ο Νηλ Άρμστρονγκ. Είχε προσωρινό βηματοδότη έπειτα από bypass και όταν αφαιρέθηκαν τα καλώδια υπέστη εσωτερική αιμορραγία».
Διάλυση χωρίς χειρουργείο
Σε απάντηση αυτής της ανάγκης, οι Rogers και Efimov παρουσίασαν το 2021 στο Nature Biotechnology τον διαλυόμενο βηματοδότη. Η λεπτή, εύκαμπτη και ελαφριά συσκευή δεν χρειαζόταν μπαταρίες ή καλώδια. Το εργαστήριο του Rogers είχε ήδη εφεύρει τα «βιοαπορροφήσιμα ηλεκτρονικά φάρμακα» – συσκευές που παρέχουν θεραπευτικό όφελος και στη συνέχεια διαλύονται αβλαβώς στο σώμα, όπως τα απορροφήσιμα ράμματα.
Μεταβάλλοντας τη σύνθεση και το πάχος των υλικών, η ομάδα του Rogers μπορεί να ελέγχει τον ακριβή χρόνο λειτουργίας πριν τη διάλυση.
Μπαταρία ενεργοποιούμενη από βιοϋγρά
Αν και ο αρχικά διαλυόμενος βηματοδότης ήταν επιτυχημένος, οι καρδιοχειρουργοί ζήτησαν μικρότερη συσκευή, πιο κατάλληλη για ελάχιστα επεμβατικές εφαρμογές και χρήση σε νεογνά. Όμως η συσκευή λειτουργούσε με τεχνολογία επικοινωνίας εγγύς πεδίου, που απαιτούσε κεραία.
«Ο αρχικός βηματοδότης δούλευε καλά», είπε ο Rogers. «Ήταν λεπτός, εύκαμπτος, διαλυόμενος. Αλλά η κεραία του εμπόδιζε την περαιτέρω σμίκρυνση. Αντί να χρησιμοποιούμε ραδιοκύματα, αναπτύξαμε σύστημα ενεργοποίησης με φως, κάτι που μας επέτρεψε να μειώσουμε δραματικά το μέγεθος».
Αντί για εξωτερική πηγή ενέργειας, η νέα συσκευή λειτουργεί ως γαλβανικό στοιχείο – δηλαδή μετατρέπει χημική ενέργεια σε ηλεκτρική. Δύο διαφορετικά μέταλλα ως ηλεκτρόδια, όταν έρχονται σε επαφή με τα βιοϋγρά, παράγουν ρεύμα που διεγείρει την καρδιά.
«Όταν ο βηματοδότης εμφυτεύεται, τα βιοϋγρά λειτουργούν ως ηλεκτρολύτης που συνδέει τα δύο μέταλλα, σχηματίζοντας μπαταρία», εξηγεί ο Rogers.
«Ένας μικροσκοπικός φωτοδιακόπτης ενεργοποιεί τη συσκευή όταν το φως περάσει από το δέρμα μέσω της φορητής συσκευής».
Παλλόμενος με φως
Η ομάδα χρησιμοποίησε υπέρυθρο φως, το οποίο διεισδύει βαθιά και με ασφάλεια στο σώμα. Όταν η καρδιά πέσει κάτω από ένα όριο παλμών, η φορητή συσκευή εκπέμπει παλμούς φωτός στον ρυθμό του φυσιολογικού καρδιακού παλμού.
«Το υπέρυθρο φως διαπερνά καλά το σώμα», είπε ο Efimov. «Αν βάλετε φακό στην παλάμη σας, θα δείτε το φως από την άλλη πλευρά. Το σώμα μας είναι εξαιρετικός αγωγός φωτός».
Συγχρονισμός και συνδυασμοί
Αν και εξαιρετικά μικρή – μόλις 1,8 x 3,5 x 1 χιλιοστό – η συσκευή προσφέρει όση ενέργεια χρειάζεται η καρδιά. Το μικρό της μέγεθος διευκολύνει την εμφύτευση και μειώνει τον κίνδυνο, ενώ η διαλυόμενη φύση της εξαλείφει την ανάγκη για δεύτερο χειρουργείο.
Οι γιατροί μπορούν να τοποθετήσουν συλλογές από τέτοιες μικροσυσκευές στην καρδιά. Κάθε μία μπορεί να ενεργοποιείται ανεξάρτητα μέσω διαφορετικών χρωμάτων φωτός, επιτρέποντας πιο εξελιγμένο συγχρονισμό ή ακόμη και αντιμετώπιση αρρυθμιών.
«Μπορούμε να τοποθετήσουμε πολλούς τέτοιους μικρούς βηματοδότες και να ελέγξουμε κάθε έναν ξεχωριστά», είπε ο Efimov. «Αυτό μας δίνει δυνατότητες για προηγμένη λειτουργική θεραπεία, ακόμη και σε εμφυτεύματα όπως τεχνητές καρδιακές βαλβίδες».
«Λόγω του μεγέθους του, ο βηματοδότης μπορεί να ενσωματωθεί σχεδόν σε οποιοδήποτε εμφύτευμα», δήλωσε ο Rogers. «Ενσωματώσαμε πολλές τέτοιες συσκευές σε τεχνητές βαλβίδες, επιτρέποντας θεραπεία πιθανών επιπλοκών μετά την τοποθέτηση».
Η τεχνολογία ανοίγει δυνατότητες για νέες εφαρμογές σε βιοηλεκτρονικά φάρμακα – από επούλωση νεύρων και οστών, μέχρι θεραπεία τραυμάτων και ανακούφιση πόνου.
VIA: FoxReport.gr
