Хотя он может работать с сердцами всех размеров, кардиостимулятор особенно хорошо подходит для крошечных, хрупких сердец новорожденных с врожденными пороками сердца.

Кардиостимулятор размером меньше рисового зернышка соединен с небольшим, мягким, гибким, беспроводным носимым устройством, которое крепится на грудь пациента для управления кардиостимуляцией. Когда носимое устройство обнаруживает нерегулярное сердцебиение, оно автоматически подает световой импульс для активации кардиостимулятора. Эти короткие импульсы, которые проникают через кожу, грудину и мышцы пациента, управляют ритмом.

Разработанный для пациентов, которым требуется только временная электрокардиостимуляция, кардиостимулятор просто растворяется после того, как в нем отпадает необходимость. Все компоненты кардиостимулятора биосовместимы, поэтому они естественным образом растворяются в биожидкостях организма, минуя необходимость хирургического извлечения.

Исследование будет опубликовано 2 апреля в журнале Nature. В статье демонстрируется эффективность устройства на серии моделей крупных и мелких животных, а также на человеческих сердцах от умерших доноров органов.

"Мы разработали то, что, насколько нам известно, является самым маленьким кардиостимулятором в мире", - сказал пионер северо-западной биоэлектроники Джон А. Роджерс, руководивший разработкой устройства. "Существует острая потребность во временных кардиостимуляторах в контексте детских операций на сердце, и это тот случай использования, когда миниатюризация размеров невероятно важна. С точки зрения нагрузки устройства на организм - чем меньше, тем лучше".

"Нашей главной мотивацией были дети", - сказал северо-западный кардиолог-экспериментатор Игорь Ефимов, который совместно руководил исследованием. "Около 1% детей рождаются с врожденными пороками сердца - независимо от того, живут ли они в стране с низким или высоким уровнем ресурсов. Хорошей новостью является то, что эти дети нуждаются только во временной стимуляции после операции. Примерно через семь дней или около того сердца большинства пациентов самовосстанавливаются. Но эти семь дней абсолютно важны. Теперь мы можем установить этот крошечный кардиостимулятор на сердце ребенка и стимулировать его с помощью мягкого, бережного, носимого устройства. И для его удаления не требуется никакой дополнительной операции".

Роджерс - профессор материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Северо-Западном университете имени Луиса Симпсона и Кимберли Куэрри, где у него есть назначения в Инженерную школу Маккормика и медицинскую школу Файнберга, а также директор Института биоэлектроники Куэрри Симпсона. Ефимов является профессором биомедицинской инженерии в McCormick и профессором медицины (кардиологии) в Feinberg. Роджерс и Ефимов совместно руководили исследованием с Юнгангом Хуангом, профессором машиностроения, гражданского строительства и охраны окружающей среды Яна и Марсии Ахенбах в Маккормике; Вэй Оуянгом, доцентом инженерного дела в Дартмутском колледже; и Риши Аророй, профессором медицины Гарольда Хайнса-младшего в Чикагском университете.

Удовлетворение неудовлетворенной клинической потребности

Эта работа основана на предыдущем сотрудничестве Роджерса и Ефимова, в рамках которого они разработали первое рассасывающееся устройство для временной электрокардиостимуляции. Многим пациентам после операции на сердце требуются временные кардиостимуляторы - либо в ожидании постоянного кардиостимулятора, либо для восстановления нормального сердечного ритма во время выздоровления.

В соответствии с современными стандартами оказания медицинской помощи хирурги вшивают электроды в сердечную мышцу во время операции. Провода от электродов выходят из передней части грудной клетки пациента, где они подключаются к внешнему кардиостимулятору, который подает ток для контроля сердечного ритма.

Когда временный кардиостимулятор больше не нужен, врачи удаляют электроды кардиостимулятора. Потенциальные осложнения включают инфекцию, смещение, разрыв или поврежденные ткани, кровотечение и образование тромбов.

"Провода буквально торчат из тела, прикрепленные к кардиостимулятору снаружи тела", - сказал Ефимов. "Когда кардиостимулятор больше не нужен, врач извлекает его. Провода могут обрасти рубцовой тканью. Таким образом, когда провода выдергиваются, это потенциально может повредить сердечную мышцу".

В ответ на эту клиническую потребность Роджерс, Ефимов и их команды разработали свой рассасывающийся кардиостимулятор, который был представлен в Nature Biotechnology в 2021 году. Тонкое, гибкое и легкое устройство устранило необходимость в громоздких батареях и жестком оборудовании, включая провода. Лаборатория Роджерса ранее изобрела концепцию биорезорбируемой электронной медицины - электроники, которая обеспечивает терапевтическую пользу пациенту, а затем безвредно растворяется в организме подобно рассасывающимся швам. Варьируя состав и толщину материалов в этих устройствах, команда Роджерса может контролировать точное количество дней, в течение которых они остаются работоспособными перед растворением.

Батарея, питаемая жидкостью для тела

В то время как оригинальный рассасывающийся кардиостимулятор четвертного размера хорошо зарекомендовал себя в доклинических исследованиях на животных, кардиохирурги задались вопросом, возможно ли сделать устройство меньше. Тогда он лучше подходил бы для неинвазивной имплантации и для использования у самых маленьких пациентов. Но устройство работало по протоколам ближней связи - той же технологии, которая используется в смартфонах для электронных платежей и в RFID-метках, - для чего требовалась встроенная антенна.

"Наш оригинальный кардиостимулятор работал хорошо", - сказал Роджерс. "Она была тонкой, гибкой и полностью рассасывающейся. Но размер его приемной антенны ограничивал наши возможности по его миниатюризации. Вместо использования радиочастотной схемы для беспроводного управления мы разработали схему на основе света для включения кардиостимулятора и подачи стимулирующих импульсов на поверхность сердца. Это одна из особенностей, которая позволила нам значительно уменьшить размер".

Чтобы еще больше уменьшить габариты устройства, исследователи также переосмыслили его источник питания. Вместо того чтобы использовать связь ближнего поля для подачи питания, новый крошечный кардиостимулятор работает за счет гальванического элемента, типа простой батареи, которая преобразует химическую энергию в электрическую. В частности, кардиостимулятор использует два разных металла в качестве электродов для подачи электрических импульсов к сердцу. При контакте с окружающими биожидкостями электроды образуют батарею. Возникающие в результате химические реакции вызывают протекание электрического тока, стимулирующего работу сердца.

"Когда кардиостимулятор имплантируется в организм, окружающие его биожидкости действуют как проводящий электролит, который электрически соединяет эти две металлические прокладки, образуя батарею", - сказал Роджерс. "Очень крошечный переключатель, активируемый светом, на противоположной стороне от батареи позволяет нам переводить устройство из "выключенного" состояния во "включенное" при подаче света, который проходит через тело пациента от закрепленного на коже пластыря".

Пульсирующий светом

Команда использовала инфракрасную длину волны света, которая глубоко и безопасно проникает в организм. Если частота сердечных сокращений пациента падает ниже определенной нормы, носимое устройство обнаруживает это событие и автоматически активирует светодиод. Затем индикатор включается и выключается со скоростью, соответствующей нормальной частоте сердечных сокращений.

"Инфракрасный свет очень хорошо проникает сквозь тело", - сказал Ефимов. "Если вы приложите фонарик к своей ладони, то увидите, как свет проникает через другую сторону вашей ладони. Оказывается, наши тела являются прекрасными проводниками света".

Несмотря на то, что кардиостимулятор такой крошечный - всего 1,8 миллиметра в ширину, 3,5 миллиметра в длину и 1 миллиметр в толщину, - он все равно обеспечивает такую же стимуляцию, как и полноразмерный кардиостимулятор.

"Сердце требует незначительной электрической стимуляции", - сказал Роджерс. "Минимизируя размер, мы значительно упрощаем процедуры имплантации, снижаем травматичность и риск для пациента, а благодаря рассасывающейся природе устройства мы устраняем любую необходимость во вторичных хирургических процедурах извлечения".

Более сложная синхронизация

Поскольку устройства настолько крошечные, врачи могли бы распределять их коллекции по всему сердцу. Для независимого управления конкретным кардиостимулятором может загораться свет сложного цвета. Использование нескольких кардиостимуляторов таким образом обеспечивает более сложную синхронизацию по сравнению с традиционной кардиостимуляцией. В особых случаях различные области сердца могут подвергаться стимуляции в разных ритмах, например, для устранения аритмий.

"Мы можем разместить несколько таких маленьких кардиостимуляторов снаружи сердца и управлять каждым из них", - сказал Ефимов. "Тогда мы сможем добиться улучшенного синхронизированного функционального ухода. Мы также могли бы встроить наши кардиостимуляторы в другие медицинские устройства, такие как устройства для замены сердечных клапанов, которые могут вызвать блокаду сердца".

"Поскольку этот кардиостимулятор настолько мал, он может быть интегрирован практически с любым видом имплантируемого устройства", - сказал Роджерс. "Мы также продемонстрировали интеграцию коллекций этих устройств в каркасы, которые служат для транскатетерной замены аортального клапана. Здесь крошечные кардиостимуляторы могут быть активированы по мере необходимости для устранения осложнений, которые могут возникнуть в процессе выздоровления пациента. Так что это всего лишь один пример того, как мы можем усовершенствовать традиционные имплантаты, обеспечив более функциональную стимуляцию".

Универсальность технологии открывает широкий спектр других возможностей для использования в биоэлектронных лекарствах, включая помощь в заживлении нервов и костей, лечение ран и блокирование боли.

Исследование "Биоразлагаемые оптоэлектронные системы миллиметрового масштаба для электротерапии" было поддержано Институтом биоэлектроники Куэрри Симпсона, Фондом Ледука и Национальными институтами здравоохранения (номер премии R01 HL141470).