Inženjeri sa Sveučilišta Northwestern razvili su, najmanji pacemaker na svijetu – toliko malen da stane na vrh štrcaljke i može se neinvazivno ubrizgati u tijelo. Manji od jednog zrna riže, ovaj inovativni pacemaker posebno je prikladan za sićušna, osjetljiva srca novorođenčadi s urođenim srčanim manama.
On dolazi u paru s malim, mekim, fleksibilnim, bežičnim nosivim uređajem koji se pričvršćuje na pacijentova prsa kako bi kontrolirao rad srca.
Kada nosivi uređaj otkrije nepravilan rad srca, automatski emitira puls svjetlosti koji aktivira pacemaker. Ti kratki impulsi – koji prodiru kroz kožu, prsnu kost i mišiće pacijenta – reguliraju otkucaje srca.
Dizajniran za pacijente koji trebaju privremenu srčanu stimulaciju, ovaj pacemaker se jednostavno otapa u tijelu kada više nije potreban.
Svi njegovi dijelovi su biokompatibilni, što znači da se prirodno razgrađuju u tjelesnim tekućinama, čime se izbjegava potreba za kirurškim uklanjanjem.
Studija objavljena u časopisu Nature potvrđuje učinkovitost uređaja kroz niz testova na velikim i malim životinjskim modelima te na ljudskim srcima dobivenima od preminulih donora organa.
John A. Rogers, pionir u području bioelektronike i voditelj razvoja ovog uređaja, istaknuo je važnost ove inovacije:
"Razvili smo, koliko je nama poznato, najmanji pacemaker na svijetu. Privremeni pacemakeri su od ključne važnosti kod pedijatrijskih operacija srca, a u takvim slučajevima minijaturizacija je izuzetno bitna. Što je uređaj manji, to manje opterećuje tijelo."
Njegov kolega, kardiolog Igor Efimov, nadodao je:
"Naša najveća motivacija bila su djeca. Oko 1% novorođenčadi dolazi na svijet s urođenim srčanim manama – bez obzira na to žive li u bogatim ili siromašnim zemljama. Dobra vijest je da im pacemaker treba samo privremeno, obično oko sedam dana nakon operacije, dok se srce samo ne oporavi. No, tih sedam dana je ključno. Sada možemo postaviti ovaj sićušni pacemaker na dječje srce i stimulirati ga pomoću nježnog, nosivog uređaja – i to bez dodatnih operacija za uklanjanje."
Ova inovacija nadograđuje raniji rad Rogersa i Efimova, koji su 2021. predstavili prvi biorazgradivi pacemaker.
Standardni privremeni pacemakeri zahtijevaju kirurško pričvršćivanje elektroda na srčani mišić. Ti kabeli izlaze iz pacijentovih prsa i povezuju se s vanjskom kutijom koja kontrolira rad srca.
Kada pacemaker više nije potreban, liječnici moraju ukloniti elektrode, što može dovesti do komplikacija poput infekcija, oštećenja tkiva, krvarenja ili stvaranja ugrušaka. Efimov je istaknuo ozbiljnost tog problema:
"Ti kabeli doslovno izlaze iz tijela i kada se uklanjaju, mogu oštetiti srčani mišić. Zapravo, tako je preminuo Neil Armstrong – imao je privremeni pacemaker nakon operacije premoštenja srčanih arterija. Kada su mu uklonili žice, došlo je do unutarnjeg krvarenja."
Zbog ovih rizika, Rogers i Efimov razvili su rješenje koje eliminira potrebu za žicama i kirurškim uklanjanjem.
Prvotna verzija njihovog biorazgradivog pacemakera, koja je bila veličine novčića, dobro je funkcionirala u testiranjima, no liječnici su pitali mogu li napraviti još manji uređaj – posebno za najmanje pacijente i neinvazivnu implantaciju.
Izvorni model koristio je tehnologiju bliske komunikacije (NFC), sličnu onoj u pametnim telefonima i RFID oznakama, što je zahtijevalo antenu i ograničavalo mogućnost minijaturizacije.
"Naš izvorni pacemaker bio je tanak, fleksibilan i potpuno razgradiv, ali antena je bila prevelika. Umjesto radiofrekvencijske tehnologije, razvili smo sustav baziran na svjetlu, koji omogućava uključivanje pacemakera i isporuku stimulacijskih impulsa. To nam je omogućilo drastično smanjenje veličine." – objasnio je Rogers.
Novi model koristi galvanijski članak – jednostavnu vrstu baterije koja kemijsku energiju pretvara u električnu.
Pacemaker sadrži dvije različite metalne elektrode koje, kada dođu u kontakt s tjelesnim tekućinama, stvaraju električnu struju i potiču rad srca.
"Kada se pacemaker umetne, tjelesne tekućine služe kao elektrolit koji povezuje dvije metalne pločice i napaja bateriju." – rekao je Rogers.
Malen, svjetlosno aktiviran prekidač omogućuje kontrolu uređaja putem svjetlosnih impulsa koji prolaze kroz pacijentovo tijelo.
Tim istraživača koristio je infracrvenu svjetlost, koja može duboko i sigurno prodrijeti u tijelo.
Nosivi uređaj automatski aktivira LED svjetlo kada otkrije da pacijentov puls padne ispod normalne vrijednosti. Svjetlo tada treperi određenom frekvencijom kako bi reguliralo rad srca.
"Infracrveno svjetlo odlično prolazi kroz tijelo. Ako prislonite baterijsku svjetiljku na dlan, vidjet ćete sjaj s druge strane ruke. Naši organizmi su zapravo odlični vodiči svjetla." – rekao je Efimov.
Iako pacemaker mjeri samo 1,8 mm u širinu, 3,5 mm u duljinu i 1 mm u debljinu, i dalje isporučuje jednako snažne impulse kao standardni pacemaker.
"Minimaliziranjem veličine pojednostavljujemo implantaciju, smanjujemo rizik za pacijenta i, zahvaljujući biorazgradivosti, eliminiramo potrebu za operacijom uklanjanja uređaja." – dodao je Rogers.
Zbog svoje minijaturne veličine, ovi pacemakeri mogu se rasporediti na različite dijelove srca kako bi se osigurala preciznija stimulacija.
U posebnim slučajevima, različita područja srca mogu se stimulirati različitim ritmovima, što otvara mogućnosti za liječenje aritmija, piše Northwestern now.
"Možemo postaviti više ovih malih pacemakera na površinu srca i kontrolirati svaki pojedinačno. To nam omogućuje precizniju i sinkroniziranu srčanu stimulaciju." – rekao je Efimov.
Osim toga, ovaj pacemaker može se integrirati u druge implantate, poput zamjenskih srčanih zalistaka, te koristiti u širokom spektru bioelektroničkih terapija – od stimulacije živaca i zacjeljivanja kostiju do blokiranja boli.
S obzirom na njegovu svestranost, znanstvenici vjeruju da bi ova tehnologija mogla revolucionirati medicinu i poboljšati živote milijuna pacijenata diljem svijeta.
