Растворимый кардиостимулятор размером меньше рисового зернышка, работающий на свету, может стать бесценным инструментом для спасения жизней новорожденных. Устройство можно имплантировать неинвазивно с помощью шприца, и оно также может быть полезно для взрослых пациентов с определенными пороками сердца. Этот медицинский прорыв подробно описан в исследовании, опубликованном 2 апреля в журнале Nature.
Примерно один процент новорожденных появляется на свет с пороками сердца каждый год. В большинстве случаев требуется лишь временная имплантация примерно на семь дней, чтобы дать сердцу возможность естественным образом восстановиться. Однако в регионах мира с ограниченными ресурсами, где нет доступа к передовой медицинской помощи, то, что должно быть простой процедурой, часто заканчивается трагически.
Между тем, нынешний стандарт временных кардиостимуляторов для взрослых также сопряжен с трудностями. Большинство процедур включает в себя нашивание электродов непосредственно на сердце хирургами, а затем подключение этих электродов к внешнему боксу с помощью проводов, выходящих из грудной клетки пациента. Врачи удаляют электроды, когда они больше не нужны, но послеоперационные риски включают инфекцию, повреждение тканей, смещение и образование тромбов. Иногда провода также покрываются рубцовой тканью, что создает дополнительные осложнения.
“Именно так умер Нил Армстронг. У него был временный кардиостимулятор после операции шунтирования. Когда провода были удалены, у него началось внутреннее кровотечение”, — пояснил в заявлении экспериментальный кардиолог и соавтор исследования Игорь Ефимов.
В 2021 году команда Северо-Западного университета, в которую входил Ефимов, представила биоразлагаемый временный кардиостимулятор размером с монету без громоздких батарей, жестких компонентов или проводки. Устройство работает на протоколах ближней связи, аналогичных тем, что используются в RFID-метках и смартфонах для совершения электронных платежей. Однако для работы этого устройства кардиостимулятор должен включать встроенную антенну для передачи команд по радиочастоте.
«Наш первоначальный кардиостимулятор работал хорошо. Он был тонким, гибким и полностью биоразлагаемым. Но размер его приёмной антенны ограничивал нашу способность к его миниатюризации», — сказал его соавтор и пионер биоэлектроники Джон Роджерс.
Роджерс, Ефимов и их коллеги потратили следующие несколько лет на исследование способов уменьшения временного кардиостимулятора до ещё меньших размеров. В итоге они поняли, что могут заменить радиоантенну конструкцией, которая вместо этого использует передачу данных на основе света. Они также заменили источник питания ближнего поля в оригинальном устройстве гальваническим элементом — типом батареи, которая преобразует химическую энергию в электрическую. В новой версии кардиостимулятор работает на двух металлических электродах, которые генерируют электрический ток после взаимодействия с окружающими биологическими жидкостями. Затем этот ток направляется для стимуляции и регулирования работы сердца через крошечный переключатель, активируемый инфракрасным светом, установленный на противоположной стороне батареи.
«Инфракрасный свет очень хорошо проникает через тело», — сказал Ефимов. «Если вы приложите фонарик к ладони, вы увидите, как свет проходит через другую сторону руки. Оказывается, наши тела отлично проводят свет».
Поскольку человеческому сердцу требуется лишь небольшая электрическая стимуляция, исследователи смогли сделать кардиостимулятор следующего поколения ещё меньше. Конечный результат — устройство толщиной 1 миллиметр, шириной всего 1,8 мм и длиной 3,5 мм, которое при этом способно обеспечивать такую же электрическую стимуляцию, как стандартный кардиостимулятор.
«Мы разработали, насколько нам известно, самый маленький в мире кардиостимулятор», — сказал Роджерс.
Учитывая, что его материалы со временем безопасно растворяются, кардиостимулятор также не требует последующего инвазивного хирургического вмешательства для его удаления. Это значительно снижает вероятность послеоперационных осложнений и травм.
Но зачем ограничиваться одним миниатюрным кардиостимулятором? Ефимов, Роджерс и их коллеги считают, что дальнейшие усовершенствования могут позволить разместить несколько устройств в разных частях сердца. После имплантации разработчики смогут координировать их работу независимо или совместно, основываясь на определенных длинах волн света. Это может привести к более сложным методам синхронизации, включая лечение аритмии.
«Мы также могли бы интегрировать наши кардиостимуляторы в другие медицинские устройства, например, в протезы сердечных клапанов, которые могут вызывать блокаду сердца», — предположил Ефимов.
Размеры устройства также позволяют интегрировать его в другие имплантируемые инструменты, такие как транскатетерная замена аортального клапана, средства подавления боли, а также методы восстановления нервов и костей. Однако все эти будущие возможности восходят к первоначальной цели команды.
«Нашей главной мотивацией были дети», — сказал Ефимов. «Теперь мы можем разместить этот крошечный кардиостимулятор на сердце ребенка и стимулировать его с помощью мягкого, нежного носимого устройства».
Об авторе
