Najmniejszy rozrusznik serca ma wielkość ziarenka ryżu i można go „zainstalować” za pomocą strzykawki

Naukowcy z Northwestern University opracowali najmniejszy rozrusznik serca na świecie. Ma wielkość ziarenka ryżu, co pozwala wprowadzić go do organizmu za pomocą strzykawki. Co więcej, rozrusznik rozpuszcza się w organizmie, gdy nie jest już potrzebny, a to sprawia, że nie jest konieczny zabieg jego usunięcia.

Rozrusznik opracowany przez inżynierów z Northwestern University to tymczasowe rozwiązanie przeznaczone dla pacjentów w okresie rekonwalescencji po operacji serca oraz noworodków. Jego rozmiary pozwalają na „zainstalowanie” rozrusznika za pomocą strzykawki, bez konieczności przeprowadzania poważnej operacji. Do tego nie wymaga on zewnętrznego zasilania i jest aktywowany za pomocą impulsu światła. No i może się rozpuścić, gdy nie jest już potrzebny.

Wyniki oraz opis prac nad miniaturowym rozrusznikiem ukazał się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-025-08726-4).

Rozrusznik serca wielkości ziarenka ryżu

Autorzy rozwiązania podkreślają, że ich rozrusznik może pracować z każdej wielkości sercem, ale jest szczególnie dobrze przystosowany do małych, delikatnych serc noworodków z wrodzonymi wadami. Rozrusznik jest wielkości ziarenka ryżu i jest połączony bezprzewodowo z małym, przenośnym urządzeniem, które montuje się na klatce piersiowej pacjenta. Gdy urządzenie wykryje nieregularne bicie serca, automatycznie emituje impuls świetlny, który przenika przez skórę i aktywuje rozrusznik.

Rozrusznik serca jest zasilany przez ogniwo galwaniczne, które wykorzystuje płyny ustrojowe do przekształcania energii chemicznej w impulsy elektryczne, które stymulują serce. Chociaż jest bardzo mały, bo mierzy zaledwie 1,8 milimetra szerokości, 3,5 milimetra długości i 1 milimetr grubości, to nadal zapewnia tyle samo stymulacji, co rozrusznik pełnowymiarowy.

Wszystkie elementy rozrusznika są biokompatybilne i urządzenie może rozpuścić się w organizmie u pacjentów, którzy wymagają jedynie tymczasowej stymulacji, omijając potrzebę chirurgicznego usuwania. Wielu pacjentów wymaga tymczasowych rozruszników po operacji serca albo podczas oczekiwania na stały rozrusznik lub w celu przywrócenia normalnego tętna w trakcie rekonwalescencji.

Tymczasowe rozruszniki

Obecnie tymczasowe rozruszniki serca wymagają operacji polegającej na implementacji elektrod do mięśnia sercowego. Przewody z elektrod wychodzą z przodu klatki piersiowej pacjenta, gdzie łączą się z zewnętrznym urządzeniem stymulującym, które dostarcza prąd w celu kontrolowania rytmu serca.

Gdy rozrusznik serca nie jest już potrzebny, lekarze lub pielęgniarki usuwają przewody, co czasami może spowodować uszkodzenia. Potencjalne powikłania obejmują różne infekcje, przemieszczenie, rozerwanie lub uszkodzenie tkanek, krwawienie i związane z tym zakrzepy, co może skończyć się śmiercią. Neil Armstrong, pierwszy człowiek, który spacerował po Księżycu, zmarł z powodu krwotoku wewnętrznego po tym, jak w 2012 roku usunięto mu tymczasowy rozrusznik serca.

– Przewody dosłownie wystają z ciała, podłączone do rozrusznika serca na zewnątrz. Gdy rozrusznik serca nie jest już potrzebny, lekarz go wyjmuje. Przewody mogą zostać owinięte tkanką bliznowatą. Tak więc, gdy przewody są wyciągane, może to potencjalnie uszkodzić mięsień sercowy. Tak naprawdę, tak zmarł Neil Armstrong. Miał tymczasowy rozrusznik serca po operacji. Kiedy przewody zostały usunięte, wystąpiło u niego krwawienie wewnętrzne – przyznał Igor Efimov, który współkierował badaniem.

Obiecujące wyniki testów

Naukowcy z powodzeniem przetestowali swój rozrusznik na dużych i małych zwierzętach oraz na ludzkich sercach od zmarłych pacjentów. Działał skutecznie w testach na myszach, szczurach, świniach, psach i tkance ludzkiego serca w laboratorium.

– Opracowaliśmy, według naszej wiedzy, najmniejszy rozrusznik na świecie – powiedział John A. Rogers, który kierował rozwojem urządzenia. – Istnieje potrzeba tymczasowych rozruszników w kontekście operacji serca u dzieci. Miniaturyzacja rozmiaru jest tu niezwykle ważna. Jeśli chodzi o obciążenie urządzenia dla organizmu — im mniejsze, tym lepiej – dodał.

– Naszą główną motywacją były dzieci – przyznał Efimov. – Około 1 proc. dzieci rodzi się z wrodzonymi wadami serca. Dobra wiadomość jest taka, że ​​te dzieci potrzebują jedynie tymczasowego rozrusznika po operacji. W ciągu około siedmiu dni serca większości pacjentów naprawiają się same. Ale te siedem dni jest absolutnie krytyczne. Teraz możemy umieścić ten maleńki rozrusznik w sercu dziecka i stymulować je miękkim, delikatnym, przenośnym urządzeniem. I nie jest konieczna żadna dodatkowa operacja, aby go usunąć – podkreślił.

Ulepszenie wcześniejszego urządzenia

Nowy, rozpuszczalny rozrusznik powstał na bazie prac Rogersa i Efimova, które ukazały się w „Nature Biotechnology” (DOI: 10.1038/s41587-021-00948-x) w 2021 roku. Tamto urządzenie było już pozbawione jakichkolwiek przewodów i baterii. Jeszcze wcześniej w laboratorium Rogersa opracowano koncepcję elektroniki, która zapewnia pacjentowi korzyści terapeutyczne, a następnie rozpuszcza się w organizmie, coś jak rozpuszczalne szwy. Zmieniając skład i grubość materiałów wykorzystanych w tych urządzeniach, zespół może kontrolować dokładną liczbę dni, przez które pozostają one funkcjonalne przed rozpuszczeniem.

W nowych badaniach uczeni znacznie zmniejszyli rozmiary sprzętu. Opracowali też oparty na świetle schemat włączania rozrusznika i dostarczania impulsów stymulujących. Ograniczając rozmiary urządzenia przeprojektowali również jego źródło zasilania. Maleńki rozrusznik serca jest zasilany poprzez ogniwo galwaniczne, rodzaju prostej baterii, która przekształca energię chemiczną w energię elektryczną. Rozrusznik wykorzystuje dwa różne metale jako elektrody do dostarczania impulsów elektrycznych do serca. W kontakcie z otaczającymi płynami ustrojowymi elektrody tworzą baterię. Powstałe reakcje chemiczne powodują przepływ prądu elektrycznego w celu stymulacji serca.

– Kiedy rozrusznik serca jest wszczepiany do ciała, otaczające biopłyny działają jak przewodzący elektrolit, który łączy elektrycznie te dwie metalowe podkładki, tworząc baterię. Bardzo mały przełącznik aktywowany światłem po przeciwnej stronie baterii pozwala nam włączać i wyłączać światło, które przechodzi przez ciało pacjenta z plastra zamontowanego na skórze – powiedział Rogers. Badacze w swoim urządzeniu wykorzystali światło podczerwone.

– Minimalizując rozmiar, radykalnie upraszczamy procedury implantacji, zmniejszamy urazy i ryzyko dla pacjenta, a dzięki rozpuszczalnej naturze urządzenia eliminujemy potrzebę wtórnych procedur chirurgicznych – podkreślił Rogers.

Źródło: Northwestern University, fot. John A. Rogers/Northwestern University