I ricercatori delle università Northwestern e George Washington (GW) hanno sviluppato il primo pacemaker transitorio: un dispositivo di stimolazione wireless, senza batteria e completamente impiantabile che si dissolve quando non è più necessario.
Il dispositivo sottile, flessibile e leggero può essere utilizzato in pazienti che necessitano di stimolazione temporanea dopo un intervento di cardiochirurgia o in attesa di un pacemaker permanente. Tutti i componenti del pacemaker sono biocompatibili e si assorbono naturalmente nei biofluidi del corpo nel corso di cinque-sette settimane, senza bisogno di estrazione chirurgica (vedi video).
Il dispositivo raccoglie energia in modalità wireless da un’antenna esterna remota utilizzando protocolli di comunicazione “near-field” (tecnologia per la trasmissione digitale di informazioni su brevi distanze), la stessa tecnologia utilizzata negli smartphone per i pagamenti elettronici e nei tag RFID. Ciò elimina la necessità di batterie ingombranti e hardware rigido, inclusi i cavi. Gli elettrodi non solo possono introdurre infezioni, ma possono anche avvolgersi in tessuto cicatriziale, causando ulteriori danni quando vengono rimossi.
Lo studio è stato pubblicato il 28 giugno 2021 nella rivista Nature Biotechnology, dimostra l’efficacia del dispositivo su una serie di modelli animali grandi e piccoli. John A. Rogers della Northwestern Engineering, ha guidato lo sviluppo del dispositivo, ha affermato:
«L’hardware posizionato all’interno o in prossimità del cuore crea rischi di infezione e altre complicazioni. I nostri pacemaker wireless e transitori superano i principali svantaggi dei dispositivi temporanei tradizionali eliminando la necessità di elettrocateteri percutanei per le procedure di estrazione chirurgica, offrendo così il potenziale per ridurre i costi e migliorare i risultati nella cura del paziente, questo insolito tipo di dispositivo potrebbe rappresentare il futuro della tecnologia di stimolazione temporanea».
Rishi Arora, cardiologo della Northwestern Medicine, ha co-diretto lo studio, ha detto:
«I pazienti a volte hanno bisogno solo temporaneamente di un pacemaker, dopo un intervento chirurgico a cuore aperto, un infarto o un’overdose di farmaci, possiamo rimuovere il pacemaker dopo che il cuore del paziente si è stabilizzato».
Igor Efimov della George Washington (GW), ha co-diretto lo studio con John A. Rogers e Rishi Arora, ha detto:
«La piattaforma elettronica transitoria apre un capitolo completamente nuovo nella medicina e nella ricerca biomedica. I materiali bioriassorbibili alla base di questa tecnologia consentono di creare tutta una serie di dispositivi transitori diagnostici e terapeutici per monitorare la progressione di malattie e terapie, fornendo terapie elettriche, farmacologiche, cellulari, riprogrammazione genica e altro ancora».
Abbandonare lead restrittivi e rischiosi
I chirurghi attualmente per impostare una stimolazione temporanea dopo un intervento a cuore aperto, durante l’intervento devono cucire elettrodi pacemaker temporanei sul muscolo cardiaco, questi hanno cavi che escono dalla parte anteriore del torace del paziente, collegandosi a una scatola di stimolazione esterna che eroga una corrente per controllare il ritmo cardiaco.
I medici quando il pacemaker temporaneo non è più necessario, rimuovono gli elettrodi del pacemaker. Le potenziali complicanze dei pacemaker temporanei impiantati , sebbene non comuni, includono infezioni, tessuti strappati o danneggiati, sanguinamento e coaguli di sangue.
Chirurghi e pazienti con il nuovo pacemaker transitorio possono evitare questa procedura potenzialmente rischiosa. Il dispositivo completamente impiantabile è leggero e sottile: 250 micron di spessore e pesa meno di mezzo grammo. Morbido e flessibile, incapsula elettrodi che dolcemente sulla superficie del cuore forniscono un impulso elettrico.
Rishi Arora ha affermato:
«Invece di utilizzare fili che possono essere infettati e rimossi, possiamo impiantare questo pacemaker biocompatibile senza piombo. Il circuito è impiantato direttamente sulla superficie del cuore, possiamo attivarlo da remoto. Il nostro nuovo tipo di pacemaker, in circa due mesi, si “dissolve” o si degrada da solo, evitando così la necessità di rimozione fisica degli elettrodi del pacemaker, potenzialmente un grande risultato per i pazienti. Ulteriori modifiche alla fine permetterà di impiantare tali pacemaker bioriassorbibili attraverso una vena della gamba o del braccio, in questo caso, potrebbe anche essere possibile fornire una stimolazione temporanea ai pazienti che hanno subito un infarto o ai pazienti sottoposti a procedure basate su catetere, come la sostituzione della valvola aortica trans-catetere».
Priorità al comfort del paziente
Duc Thinh Pham cardiochirurgo della Northwestern Medicine, ha eseguito più di 2.000 interventi di cardiochirurgia nel corso della sua carriera, immagina che un pacemaker transitorio indubbiamente renderebbe i suoi pazienti più a loro agio, con gli attuali pacemaker, spesso si sentono a disagio per giorni dopo l’inserimento degli elettrocateteri, devono limitare i loro movimenti e attività per evitare che i cavi si spostino. Ha affermato:
«Questo pacemaker transitorio è eccezionale, oltre ad affrontare il problema principale dei pazienti post-operatori cardiaci che necessitano di stimolazione temporanea a causa di blocchi o aritmie, il dispositivo affronta il problema secondario del comfort del paziente, della capacità di muoversi liberamente e della riabilitazione. In caso di successo, questo dispositivo migliorerà notevolmente il decorso post-operatorio di un paziente».
Atto di scomparsa
È questo è il secondo esempio di medicina elettronica bioriassorbibile dal laboratorio di John A. Rogers che studia l’elettronica transitoria da oltre un decennio, nel 2018 insieme ai suoi colleghi ha dimostrato il primo dispositivo elettronico bioriassorbibile al mondo, un impianto biodegradabile che accelera la rigenerazione dei nervi. I dispositivi bioriassorbibili del team sono completamente innocui, simili ai punti di sutura riassorbibili, dopo essersi completamente degradati scompaiono completamente attraverso i processi biologici naturali del corpo.
Bradley Knight, professore di cardiologia, coautore dello studio, ha detto:
«C’è chiaramente bisogno di migliori pacemaker cardiaci temporanei, quando ho appreso per la prima volta dello stimolatore nervoso bioriassorbibile, ho contattato John A. Rogers per esplorare la possibilità di utilizzare questa tecnologia per stimolare il cuore. Aveva già iniziato a lavorare con Igor Efimov per sviluppare una versione ridotta di un pacemaker bioriassorbibile come prova di concetto. Abbiamo quindi lavorato con entrambi i team per sviluppare una versione più grande di un pacemaker cardiaco bioriassorbibile, senza piombo, che potesse essere efficace su scala umana. È un ottimo esempio di ciò che possiamo creare alla Northwestern unendo le competenze in ingegneria e medicina».
Il pacemaker temporaneo a seconda del paziente, potrebbe essere necessario per un paio di giorni o diverse settimane. Variando la composizione e lo spessore dei materiali nel dispositivo, il team di John A. Roger può controllare il numero preciso di giorni in cui rimane funzionante prima di dissolversi.
John A. Rogers in conclusione ha detto:
«Produciamo questi dispositivi con diversi tipi di materiali sicuri e bioriassorbibili e in architetture ottimizzate per garantire un funzionamento stabile per un periodo di tempo un po’ più lungo di quanto clinicamente necessario. Possiamo personalizzare i dispositivi per affrontare un ampio spettro di rilevanti durate. Le tecnologie transitorie, in generale, potrebbero un giorno fornire terapia o trattamento per un’ampia varietà di condizioni mediche, agendo, in un certo senso, come una ingegneristica forma di medicina».
