Stimulatoare cardiace alimentate de lumină: O abordare revoluționară în tratarea bolilor de inimă
Utilizarea luminii pentru a revoluționa tehnologia pacemakerilor
În cadrul unui progres revoluționar, eu și colegii mei am dezvoltat un stimulator cardiac fără fir, ultra-subțire, alimentat de lumină, asemănător unui panou solar. Acest design inovator nu numai că elimină nevoia de baterii, dar asigură, de asemenea, o perturbare minimă a funcției naturale a inimii, adaptându-se perfect la contururile acesteia.
Cercetările noastre, prezentate recent în revista Nature, anunță o nouă eră în tratamentele care necesită stimulare electrică, cum ar fi stimularea cardiacă. Stimulatoarele cardiace tradiționale, esențiale pentru reglarea ritmurilor cardiace, constau, de obicei, în circuite electronice cu baterii și cabluri implantate în mușchiul cardiac pentru stimulare.
Cu toate acestea, firele pot ceda, ceea ce poate duce la deteriorarea țesuturilor. În plus, implantarea lor fixă restricționează accesul la diferite regiuni ale inimii. În plus, electrozii metalici, rigizi, utilizați în stimulatoarele cardiace pot agrava leziunile tisulare în timpul repornirii inimii după operație sau în timpul reglării aritmiei.
Având în vedere un stimulator cardiac fără electrozi, mai adaptabil, capabil să stimuleze cu precizie mai multe zone ale inimii, echipa noastră a conceput un dispozitiv care convertește lumina în bioelectricitate – semnale electrice generate de celulele cardiace.
Mai subțire decât un fir de păr uman, stimulatorul nostru cardiac cuprinde o fibră optică și o membrană de siliciu, meticulos dezvoltate de-a lungul anilor de laboratorul Tian și de colegii de la Școala de Inginerie Moleculară Pritzker a Universității din Chicago. Spre deosebire de celulele solare convenționale concepute pentru colectarea maximă de energie, dispozitivul nostru generează electricitate doar în punctele afectate de lumină, facilitând reglarea precisă a bătăilor inimii. Acest lucru a fost realizat prin intermediul unui strat de pori minusculi adepți ai captării luminii și a curentului electric, asigurând stimularea doar în mușchii cardiaci expuși la porii activați de lumină.
Datorită dimensiunii și greutății reduse, dispozitivul nostru poate fi implantat fără incizie toracică.
Implantat cu succes în inimile rozătoarelor și ale unui porc adult, ale căror inimi se aseamănă anatomic cu inimile umane, dispozitivul nostru este promițător pentru aplicarea clinică.
Semnificație:
Bolile cardiace rămân una dintre principalele cauze de mortalitate la nivel mondial, determinând peste 2 milioane de persoane să fie supuse anual unei intervenții chirurgicale pe cord deschis pentru a rezolva problemele cardiace, inclusiv implantarea de stimulatoare cardiace.
Dispozitivul nostru ultraușor, care se adaptează perfect la suprafața inimii, facilitează o stimulare mai puțin invazivă, o stimulare îmbunătățită și o contracție sincronizată. Angajarea unei tehnici minim invazive pentru implantare ajută la reducerea traumei postoperatorii și a duratei de recuperare.
Întrebări fără răspuns:
În timp ce tehnologia noastră este promițătoare pentru afecțiuni cardiace urgente, cum ar fi repornirea inimii după intervenții chirurgicale, atacurile de cord și defibrilarea ventriculară, este justificată explorarea în continuare a efectelor sale pe termen lung și a durabilității în corpul uman.
Mediul intern al organismului, bogat în fluide perturbate de mișcarea mecanică constantă a inimii, reprezintă provocări potențiale care ar putea compromite funcționalitatea dispozitivului în timp. În plus, înțelegerea reacției organismului la expunerea prelungită la dispozitivele medicale este imperativă, deoarece formarea de țesut cicatrizat în jurul dispozitivului după implantare poate diminua sensibilitatea. Dezvoltăm tratamente de suprafață specializate și acoperiri biomateriale pentru a reduce probabilitatea de respingere.
Mai mult, evaluarea reacției organismului la implantarea prelungită este crucială pentru a asigura siguranța și eficacitatea, în ciuda substanței netoxice rezultate în urma descompunerii dispozitivului nostru, pe care organismul o poate absorbi în siguranță.
Direcții viitoare:
Pentru a realiza implantarea pe termen lung și pentru a adapta dispozitivul la fiecare pacient, perfecționăm rata la care acesta se dizolvă în mod natural în organism. De asemenea, explorăm îmbunătățiri pentru a face dispozitivul compatibil ca stimulator cardiac portabil, implicând integrarea unei diode emițătoare de lumină (LED) fără fir sub piele, conectată la dispozitiv prin intermediul unei fibre optice.
Scopul nostru final este de a extinde domeniul de aplicare a ceea ce numim fotoelectroceutic dincolo de îngrijirea cardiacă, incluzând neurostimularea, neuroprotezele și gestionarea durerii pentru a aborda afecțiunile neurodegenerative, cum ar fi boala Parkinson.
Rezumatul cercetării oferă o prezentare concisă a efortului nostru academic semnificativ.