Il minuscolo dispositivo, che misura meno di un chicco di riso, può essere inserito con una siringa e si dissolve nel corpo quando non è più necessario. Il nuovo pacemaker è particolarmente adatto ai cuori piccoli e fragili dei neonati con difetti cardiaci congeniti.
Gli ingegneri della Northwestern University hanno sviluppato un pacemaker così piccolo da poter essere inserito nella punta di una siringa e iniettato nel corpo in modo non invasivo.
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 chicco di riso, il pacemaker è abbinato a un piccolo dispositivo indossabile, morbido e flessibile, senza fili, che si monta sul petto del paziente per controllare la stimolazione. Quando il dispositivo indossabile rileva un battito cardiaco irregolare, emette automaticamente un impulso luminoso per attivare il pacemaker più piccolo del mondo. 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 l’estrazione chirurgica.
Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature. Il documento dimostra l’efficacia del dispositivo su una serie di modelli animali di grandi e piccole dimensioni e su cuori umani provenienti da donatori di organi deceduti.
“Abbiamo sviluppato quello che, a nostra conoscenza, è il pacemaker più piccolo del mondo”, ha dichiarato John A. Rogers, pioniere della bioelettronica della Northwestern, che ha guidato lo sviluppo del dispositivo. “C’è un bisogno cruciale di pacemaker temporanei nel contesto degli interventi 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 detto il cardiologo sperimentale della Northwestern Igor Efimov, che ha condotto lo studio. “Circa l’1% dei bambini nascono con difetti cardiaci congeniti, indipendentemente dal fatto che vivano in un paese a basse o alte 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 auto-riparerà. Ma quei sette giorni sono assolutamente critici. Ora possiamo posizionare questo minuscolo pacemaker sul cuore del bambino e stimolarlo con un dispositivo morbido, delicato e indossabile. E non è necessario un ulteriore intervento chirurgico per rimuoverlo“. Rogers ed Efimov sono stati coautori dello studio.
Soddisfare un’esigenza clinica insoddisfatta – 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 necessitano di pacemaker temporanei dopo un intervento chirurgico al cuore, sia in attesa di un pacemaker permanente sia per aiutare a ripristinare una frequenza cardiaca normale durante il recupero.
Nell’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 centralina di stimolazione esterna che eroga 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 complicazioni includono infezioni, distacco, strappi o danni ai tessuti, emorragie e coaguli di sangue. “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” – spiega Efimov.
In risposta a questa esigenza clinica, Rogers, Efimov e i loro team hanno sviluppato il loro pacemaker dissolvibile, presentato su Nature Biotechnology nel 2021. Variando la composizione e lo spessore dei materiali di questi dispositivi, l’équipe di Rogers può controllare il numero preciso di giorni in cui essi rimangono funzionali prima di dissolversi.
Batteria alimentata dal fluido corporeo – Il nuovo, minuscolo pacemaker funziona 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. A contatto con i biofluidi circostanti, gli elettrodi formano una batteria. Le reazioni chimiche che ne derivano fanno sì che la corrente elettrica fluisca per stimolare il cuore.
“Quando il pacemaker viene impiantato nel corpo, i biofluidi circostanti fungono da elettrolita conduttore che unisce elettricamente le due piastre metalliche per formare la batteria”, ha detto Rogers. “Un piccolissimo interruttore attivato dalla luce sul lato opposto alla batteria ci permette di far passare il dispositivo dallo stato ‘spento’ a quello ‘acceso’ quando la luce che attraversa il corpo del paziente viene emessa dal cerotto montato sulla pelle”.
Pulsare con la luce – Il team ha utilizzato una lunghezza d’onda della luce a infrarossi che penetra in profondità e in modo sicuro nel corpo. Se la frequenza cardiaca del paziente scende al di sotto di un certo valore, il dispositivo indossabile rileva l’evento e attiva automaticamente un diodo a emissione luminosa. La luce si accende e si spegne a un ritmo corrispondente alla normale frequenza cardiaca.
“La luce infrarossa penetra molto bene nel corpo”, ha detto Efimov. “Se si mette una torcia contro il palmo della mano, si vedrà la luce brillare attraverso l’altro lato della mano. È emerso che il nostro corpo è un ottimo conduttore 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 una stimolazione pari a quella di un pacemaker di dimensioni reali.
“Il cuore ha bisogno di una quantità minima di stimolazione elettrica”, ha detto Rogers. “Riducendo al minimo le dimensioni, semplifichiamo drasticamente le procedure di impianto, riduciamo il trauma e il rischio per il paziente e, grazie alla natura dissolvibile del dispositivo, eliminiamo la necessità di procedure chirurgiche secondarie di estrazione”.
Sincronizzazione più sofisticata – Poiché i dispositivi sono così piccoli, i medici potrebbero distribuirne una collezione in tutto il cuore. Una luce di colore diverso 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, aree diverse del cuore possono essere stimolate a ritmi diversi, ad esempio per interrompere le aritmie.
“Possiamo installare un certo numero di piccoli pacemaker all’esterno del cuore e controllare ciascuno di essi”, ha detto Efimov. “In questo modo potremo 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 aggiunto Rogers. “Abbiamo anche dimostrato l’integrazione di collezioni di questi dispositivi nelle strutture che servono per la sostituzione transcatetere della valvola aortica. In questo caso, i piccoli pacemaker possono essere attivati se necessario per affrontare le complicazioni che possono verificarsi durante il processo di recupero del 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 di impiego nei farmaci bioelettronici, tra cui l’aiuto alla guarigione di nervi e ossa, il trattamento delle ferite e il blocco del dolore.
fonte: Northwestern University
