Вчені розробили найменший у світі кардіостимулятор

17 квітня 2025 р. 18:32

17 квітня 2025 р. 18:32

Маленький пристрій можна вставити за допомогою шприца, а потім безпечно розчинити, коли він більше не потрібен. Інженери з Північно-західного університету розробили ультрамаленький кардіостимулятор, який настільки маленький, що його можна вводити в організм за допомогою шприца. Хоча він сумісний із серцями різних розмірів, кардіостимулятор особливо добре підходить для ніжних сердець новонароджених із вродженими вадами серця.

Менший за рисове зернятко, пристрій працює в парі з легким, гнучким бездротовим носієм, який кріпиться до грудей пацієнта. Коли носій виявляє нерегулярне серцебиття, він автоматично випромінює світловий імпульс, щоб активувати кардіостимулятор. Ці короткі світлові імпульси проходять через шкіру, грудину та м’язову тканину, щоб регулювати серцевий ритм.

Розроблений для пацієнтів, яким потрібна лише тимчасова кардіостимуляція, кардіостимулятор розчиняється самостійно, коли він більше не потрібен. Усі його компоненти є біосумісними, що дозволяє їм природним чином розщеплюватися в біорідинах організму. Це позбавляє від необхідності хірургічного видалення. Дослідження нещодавно було опубліковано в журналі Nature. Стаття демонструє ефективність пристрою на серії моделей великих і малих тварин, а також людських сердець від померлих донорів органів.

«Наскільки нам відомо, ми розробили найменший у світі кардіостимулятор», — сказав піонер біоелектроніки Північно-Західного регіону Джон А. Роджерс, який керував розробкою пристрою. «Існує нагальна потреба у тимчасових кардіостимуляторах у контексті дитячих кардіохірургічних операцій, і це той випадок використання, де мініатюризація розміру неймовірно важлива. З точки зору навантаження пристрою на тіло — чим менше, тим краще».

«Нашою основною мотивацією були діти», — сказав Північно-західний експериментальний кардіолог Ігор Єфімов, який керував дослідженням. «Приблизно 1% дітей народжуються з вродженими вадами серця — незалежно від того, живуть вони в країні з низькими ресурсами чи з високими ресурсами. Хороша новина полягає в тому, що цим дітям потрібна лише тимчасова кардіостимуляція після операції. Приблизно через сім днів серця більшості пацієнтів відновляться самі. Але ці сім днів є абсолютно критичними. Тепер ми можемо встановити цей крихітний кардіостимулятор на серце дитини та стимулювати його за допомогою м’який, ніжний пристрій, який можна носити, і для його видалення не потрібна додаткова операція».

Ця робота базується на попередній співпраці між Роджерсом і Єфімовим, під час якої вони розробили перший розчинний пристрій для тимчасової кардіостимуляції. Багатьом пацієнтам після операції на серці потрібні тимчасові кардіостимулятори — або під час очікування постійного кардіостимулятора, або для відновлення нормального пульсу під час відновлення.

Відповідно до поточного стандарту лікування хірурги пришивають електроди до серцевого м’яза під час операції. Дроти від електродів виходять із передньої частини грудної клітки пацієнта, де вони з’єднуються із зовнішнім кардіостимулятором, який подає струм для контролю серцевого ритму.

Коли тимчасовий кардіостимулятор більше не потрібен, лікарі видаляють електроди кардіостимулятора. Потенційні ускладнення включають інфекцію, зміщення, розриви або пошкодження тканин, кровотечі та утворення тромбів.

«Дроти буквально стирчать з тіла, прикріплені до кардіостимулятора поза тілом», — сказав Єфімов. «Коли кардіостимулятор більше не потрібен, лікар його виймає. Дроти можуть бути оповиті рубцевою тканиною. Отже, коли дроти витягуються, це може потенційно пошкодити серцевий м’яз. Насправді так помер Ніл Армстронг. У нього був тимчасовий кардіостимулятор після операції шунтування. Коли дроти видалили, у нього почалася внутрішня кровотеча».

У відповідь на цю клінічну потребу Роджерс, Єфімов та їхні команди розробили свій розчинний кардіостимулятор, який був представлений у Nature Biotechnology у 2021 році. Тонкий, гнучкий, легкий пристрій позбавив потреби у громіздких батареях і жорсткому обладнанні, включаючи дроти. Лабораторія Роджерса раніше винайшла концепцію біорозсмоктуючої електронної медицини — електроніки, яка забезпечує терапевтичну користь для пацієнта, а потім нешкідливо розчиняється в організмі, як нитки, що розсмоктуються. Змінюючи склад і товщину матеріалів у цих пристроях, команда Роджерса може контролювати точну кількість днів, протягом яких вони залишаються функціональними до розчинення.

Хоча оригінальний розчинний кардіостимулятор четвертого розміру добре працював у доклінічних дослідженнях на тваринах, кардіохірурги запитали, чи можна зробити пристрій меншим. Тоді він буде краще підходити для неінвазивної імплантації та для використання у найменших пацієнтів. Але пристрій працював на основі протоколів зв’язку ближнього поля — тієї ж технології, що використовується в смартфонах для електронних платежів і в RFID-мітках — для чого потрібна була вбудована антена.

«Наш оригінальний кардіостимулятор працював добре», — сказав Роджерс. «Він був тонким, гнучким і повністю розсмоктувався. Але розмір його приймальної антени обмежив наші можливості мініатюризувати його. Замість використання радіочастотної схеми для бездротового керування ми розробили світлову схему для ввімкнення кардіостимулятора та доставки імпульсів стимуляції до поверхні серця. Це одна з особливостей, яка дозволила нам різко зменшити розмір».

Щоб ще більше зменшити розмір пристрою, дослідники також переосмислили його джерело живлення. Замість використання зв’язку ближнього поля для живлення новий крихітний кардіостимулятор працює за допомогою гальванічного елемента, типу простої батареї, яка перетворює хімічну енергію в електричну. Зокрема, кардіостимулятор використовує два різні метали як електроди для доставки електричних імпульсів до серця. При контакті з навколишніми біорідинами електроди утворюють батарею. У результаті хімічних реакцій виникає електричний струм, який стимулює роботу серця.

«Коли кардіостимулятор імплантується в тіло, навколишні біологічні рідини діють як електропровідний електроліт, який електрично з’єднує ці дві металеві прокладки, утворюючи батарею», — сказав Роджерс. «Дуже крихітний перемикач, що активується світлом, на протилежній стороні від батареї дозволяє нам переводити пристрій із стану «вимкнено» у стан «увімкнено» після доставки світла, яке проходить крізь тіло пацієнта від накладної накладки».

Команда використовувала інфрачервону довжину хвилі світла, яке глибоко та безпечно проникає в тіло. Якщо частота серцевих скорочень пацієнта падає нижче певної частоти, переносний пристрій виявляє подію та автоматично активує світлодіод. Потім світло вмикається та вимикається зі швидкістю, що відповідає нормальній частоті серцевих скорочень.

«Інфрачервоне світло дуже добре проникає через тіло», — сказав Єфімов. «Якщо ви прикладете ліхтарик до долоні, ви побачите, як світло світиться через іншу сторону вашої руки. Виявляється, наші тіла є чудовими провідниками світла».

Незважаючи на те, що кардіостимулятор такий маленький — лише 1,8 міліметра в ширину, 3,5 міліметра в довжину та 1 міліметр у товщину — він все одно забезпечує стільки стимуляції, скільки повнорозмірний кардіостимулятор.

«Серцю потрібна невелика електрична стимуляція», — сказав Роджерс. «Зменшуючи розміри, ми значно спрощуємо процедури імплантації, зменшуємо травматизацію та ризик для пацієнта, а завдяки тому, що пристрій розчиняється, ми усуваємо будь-яку потребу у вторинній хірургічній процедурі видалення».

Оскільки пристрої такі маленькі, лікарі можуть розподіляти їх по серцю. Світло складного кольору може підсвічуватися, щоб самостійно контролювати певний кардіостимулятор. Використання кількох кардіостимуляторів таким чином забезпечує більш складну синхронізацію порівняно з традиційною стимуляцією. В особливих випадках різні ділянки серця можуть стимулюватися з різним ритмом, наприклад, для припинення аритмій.

«Ми можемо розмістити кілька таких маленьких кардіостимуляторів на зовнішній стороні серця і контролювати кожен з них», — сказав Єфімов. «Тоді ми зможемо досягти покращеної синхронізованої функціональної допомоги. Ми також можемо включити наші кардіостимулятори в інші медичні пристрої, такі як заміна серцевих клапанів, які можуть спричинити блокаду серця».

«Оскільки він такий малий, цей кардіостимулятор можна інтегрувати майже з будь-яким типом імплантованого пристрою», — сказав Роджерс. «Ми також продемонстрували інтеграцію колекцій цих пристроїв у рамки, які служать для транскатетерної заміни аортального клапана. Тут крихітні кардіостимулятори можна активувати за необхідності для вирішення ускладнень, які можуть виникнути під час процесу відновлення пацієнта. Тож це лише один приклад того, як ми можемо вдосконалити традиційні імплантати, забезпечуючи більш функціональну стимуляцію».

Універсальність технології відкриває широкий спектр інших можливостей для використання в біоелектронних ліках, включаючи допомогу в загоєнні нервів і кісток, лікування ран і блокування болю.

Технології