Gli ingegneri della Northwestern University hanno sviluppato un pacemaker così piccolo che può stare nella punta di una siringa e può essere iniettato nel corpo in modo non invasivo.
Sebbene possa funzionare con cuori di tutte le dimensioni, il pacemaker è particolarmente adatto ai cuori minuscoli e fragili dei neonati con difetti cardiaci congeniti.
Più piccolo di un singolo chicco di riso, il pacemaker è abbinato a un piccolo dispositivo indossabile, morbido, flessibile e 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 quando non è più necessario. Tutti i componenti del pacemaker sono biocompatibili, quindi si dissolvono naturalmente nei biofluidi del corpo, evitando la necessità di estrazione chirurgica.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista “Nature”. Il documento dimostra l’efficacia del dispositivo su una serie di modelli animali di grandi e piccole dimensioni, nonché su cuori umani di donatori di organi deceduti.
“Abbiamo sviluppato quello che è, a nostra conoscenza, il pacemaker più piccolo del mondo”, ha affermato il pioniere della bioelettronica della Northwestern John A. Rogers, che ha guidato lo sviluppo del dispositivo. “C’è un’esigenza 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 motivazione principale erano i bambini”, ha affermato il cardiologo sperimentale della Northwestern Igor Efimov, che ha co-diretto lo studio. “Circa l’1% dei bambini nasce con difetti cardiaci congeniti, indipendentemente dal fatto che vivano in un paese con poche o molte risorse. La buona notizia è che questi bambini hanno bisogno solo di una stimolazione temporanea dopo un intervento chirurgico. In circa sette giorni, il cuore della maggior parte dei pazienti si autoripara. Ma quei sette giorni sono assolutamente critici. Ora, possiamo posizionare questo piccolo 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 e i professori di scienza e ingegneria dei materiali, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica presso la Northwestern Louis Simpson e Kimberly Querrey , 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 presso la McCormick e professore di medicina presso la Feinberg. Rogers ed Efimov hanno co-diretto lo studio con Yonggang Huang, professore di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale Jan e Marcia Achenbach presso McCormick; Wei Ouyang, professore associato di ingegneria al Dartmouth College; e Rishi Arora, professore di medicina Harold H. Hines Jr. presso l’Università di Chicago.
Questo lavoro si basa su una precedente collaborazione tra Rogers ed Efimov, in cui hanno sviluppato il primo dispositivo riassorbibile per la stimolazione temporanea. Molti pazienti necessitano di pacemaker temporanei dopo un intervento chirurgico al cuore, sia in attesa di un pacemaker permanente, sia per aiutare a ripristinare una normale frequenza cardiaca durante la convalescenza.
Per l’attuale standard di cura, i chirurghi cuciono gli elettrodi sul muscolo cardiaco durante l’intervento. I fili degli elettrodi escono dalla parte anteriore del torace del 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 complicazioni includono infezione, dislocazione, tessuti lacerati o danneggiati, sanguinamento e coaguli di sangue.
“I fili sporgono letteralmente dal corpo, collegati a un pacemaker esterno al corpo”, ha affermato Efimov. “Quando il pacemaker non serve più, un medico lo estrae. I fili possono essere avvolti da tessuto cicatriziale. Quindi, quando i fili vengono estratti, ciò può potenzialmente danneggiare il muscolo cardiaco. È così che è morto Neil Armstrong. Aveva un pacemaker temporaneo dopo un intervento 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 riassorbibile, presentato su Nature Biotechnology nel 2021. Il dispositivo sottile, flessibile e leggero ha eliminato la necessità di batterie ingombranti e hardware rigido, compresi i fili. Il laboratorio di Rogers aveva precedentemente inventato il concetto di medicina elettronica bioriassorbibile, ovvero componenti elettronici che forniscono un beneficio terapeutico al paziente e poi si dissolvono in modo innocuo 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.
Mentre il pacemaker riassorbibile originale da un quarto di pollice funzionava bene negli studi preclinici sugli animali, i chirurghi cardiaci si sono chiesti se fosse possibile rendere il dispositivo più piccolo. In tal caso sarebbe stato più adatto all’impianto non invasivo e all’uso nei pazienti più piccoli. Ma il dispositivo era alimentato da protocolli di comunicazione in prossimità, la stessa tecnologia utilizzata negli smartphone per i pagamenti elettronici e nei tag RFID, che richiedevano un’antenna integrata.
“Il nostro pacemaker originale funzionava bene”, ha affermato Rogers. “Era sottile, flessibile e completamente riassorbibile. Ma le dimensioni della sua antenna ricevente limitavano la nostra capacità di miniaturizzarlo. 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 alla superficie del cuore. Questa è una caratteristica che ci ha consentito di ridurre drasticamente le dimensioni”.
Per contribuire a ridurre ulteriormente le dimensioni del dispositivo, i ricercatori hanno anche reinventato la sua fonte di alimentazione. Invece di utilizzare la comunicazione in prossimità per fornire energia, il nuovo, minuscolo pacemaker funziona tramite l’azione di una cella galvanica, un tipo di batteria semplice che trasforma l’energia chimica in energia elettrica. Nello specifico, il pacemaker utilizza due metalli diversi come elettrodi per fornire impulsi elettrici al cuore.
Quando sono a contatto con i biofluidi circostanti, gli elettrodi formano una batteria. Le reazioni chimiche risultanti fanno sì che la corrente elettrica scorra per stimolare il cuore. “Quando il pacemaker viene impiantato nel corpo, i biofluidi circostanti agiscono come elettrolita conduttore che unisce elettricamente quei due cuscinetti metallici per formare la batteria”, ha affermato Rogers. “Un minuscolo interruttore attivato dalla luce sul lato opposto alla batteria ci consente di accendere il dispositivo dallo stato “spento” allo stato “acceso” quando viene erogata la luce che attraversa il corpo del paziente dal cerotto montato sulla pelle”.
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 lampeggia quindi a una frequenza che corrisponde alla normale frequenza cardiaca.
“La luce infrarossa penetra molto bene attraverso il corpo”, ha affermato Efimov. “Se si mette una torcia elettrica contro il palmo della mano, si vedrà 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, misurando 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 affermato 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 riassorbibile del dispositivo, eliminiamo qualsiasi necessità di procedure di estrazione chirurgica secondaria”.
Poiché i dispositivi sono così piccoli, i medici potrebbero distribuirne delle raccolte nel cuore. Un colore di luce difficile potrebbe illuminare per controllare in modo indipendente uno specifico pacemaker. 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 ritmi diversi, ad esempio, per interrompere le aritmie.
“Possiamo distribuire un certo numero di questi piccoli pacemaker sulla parte esterna del cuore e controllarne ciascuno”, ha affermato Efimov. “Quindi 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 un blocco cardiaco”.
“Poiché è così piccolo, questo pacemaker può essere integrato con quasi tutti i tipi di dispositivi impiantabili”, ha affermato Rogers. “Abbiamo anche dimostrato l’integrazione di raccolte di questi dispositivi attraverso i framework che servono come sostituzioni di valvole aortiche transcatetere. Qui, i piccoli pacemaker possono essere attivati quando necessario per affrontare le complicazioni che possono verificarsi durante il processo di recupero di un paziente. Quindi 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 nella medicina bioelettronica, tra cui aiutare i nervi e le ossa a guarire, curare le ferite e bloccare il dolore.
