Вопросы и ответы:Soft Electronics лечит сердечные аритмии

Профессор Игорь Ефимов и команда из Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия, в сотрудничестве с лабораторией профессора Джона Роджерса из Северо-Западного университета в Чикаго, штат Иллинойс, разрабатывают новый класс медицинских инструментов, в которых используется гибкая электроника для улучшения результатов лечения пациентов при минимально инвазивных вмешательствах. операции.

Технические обзоры: Как вы начали работу над этим проектом?

Доктор. Игорь Ефимов: Я довольно давно занимаюсь кардиологическими исследованиями. Я начал свою карьеру в качестве независимого исследователя в Кливлендской клинике, которая имеет давнюю культуру инноваций и сделала много крупных прорывов. Я работал там с несколькими блестящими кардиологами, и этот опыт действительно изменил меня.

Моя работа была сосредоточена на аритмии и лечении нарушений сердечного ритма. Второй важный опыт произошел около семи или восьми лет назад. Я искал новую платформу для внедрения медицинских устройств и наткнулся на работу Джона Роджерса, который продвигал вперед биологически совместимые материалы. Он уже работал с некоторыми биологами, прежде всего в области неврологии. Я предложил ему сотрудничать со мной в области кардиологии, и с тех пор мы проделали большую совместную работу. Во-первых, мы создали платформу органоконформной электроники. Потом мы пошли дальше и создали платформу для «умной» электроники — по сути медицинских устройств, оснащенных собственной микросхемой, позволяющей обрабатывать сигналы, усиливать, мультиплексировать и так далее. Следующим нашим проектом были имплантируемые кардиостимуляторы без батареек. Сейчас мы работаем над тем, чтобы сделать их рассасывающимися, чтобы их можно было рассасывать после того, как они больше не нужны.

Технические обзоры: Как питается устройство без батареи?

Доктор. Ефимов: Кардиостимулятор имеет антенну, которая соответствует внешней антенне. У вас может быть схема вне вашего тела — встроенная в одежду или носимый патч, — которая передает энергию и программирует в имплантированную электронику с помощью индуктивной передачи энергии.

Примерно в 2013 году мы разработали кардиостимулятор, который работал в мыши. Но, к сожалению, мы использовали электрод из серебряной проволоки, который был настолько жестким, что приводил к повреждению сердечной мышцы, поэтому у наших мышей была очень высокая смертность. Это навело меня на мысль использовать мягкую конформную электронику, которую разработал Джон. Это был мой первоначальный стимул — я спросил его, может ли он решить мою проблему, и он это сделал.

В нашей последней статье рассказывается о том, как создать устройство для чрескожного трансвенозного катетера. Его не имплантируют, а вводят внутрь сердца и направляют к области аритмии. Он имеет пять различных функций с тремя типами датчиков и приводов, которые могут выполнять две разные функции. Такая многофункциональность, мультифизика позволяет значительно повысить скорость абляционного лечения. Абляция — это современная технология, используемая для лечения нарушений сердечного ритма. 85% пациентов с мерцательной аритмией (ФП) или желудочковой тахикардией не поддаются медикаментозному лечению, поэтому им приходится жить с этим заболеванием. Это, к сожалению, приводит к резкому увеличению частоты инсультов и смертности. Только в США насчитывается около 5 миллионов пациентов с ФП. Во всем мире их около 15 млн, а к 2050 году, по прогнозам, будет 50 млн человек с мерцательной аритмией из-за увеличения продолжительности жизни.

Абляция сердца — это процедура, которая может исправить мерцательную аритмию, разрушив ткань сердца, которая ее вызывает. В настоящее время лечение осуществляется путем введения нескольких аппаратных средств. Один используется для создания электрограмм, отображающих аритмию путем записи электрических сигналов от сердца. Эти электрограммы можно использовать для попытки понять источник аритмии. Затем можно вставить другую часть оборудования для проведения абляции. Абляция означает, что вы, по сути, сжигаете ткань с помощью радиочастотного тока, который увеличивает температуру ткани примерно до 55–60 °C [131–140 °F]. В результате вы убиваете клетки, ответственные за аритмию, и, возможно, убиваете ФП. Поскольку вы выполняете процедуру асинхронно, одна для определения местоположения, а другая для абляции, то для ее правильного выполнения возникает много технических трудностей. Для этого нужен рентген, потому что, когда вы вставляете электроды, у вас, очевидно, нет прямой видимости. Единственный способ увидеть оборудование внутри сердца и правильно ориентироваться — это использовать рентгеновские снимки. Это подвергает пациента и врача дозе радиации, которая не совсем безопасна. Наша технология может уменьшить излучение, объединив картирование и аблацию в одном устройстве. Вам не нужно перемещать устройство так много раз, потому что наше устройство имеет множество датчиков и приводов, которые охватывают большую область сердца. Таким образом, вы можете проводить картирование и аблацию без повторного перемещения катетера, что уменьшит воздействие радиации.

Есть несколько дополнительных модальностей, которые обычно не присутствуют в таких картографических устройствах:матрица датчиков температуры и еще одна из датчиков силы. Эти две матрицы дают показания в режиме реального времени. Датчики температуры позволяют вам контролировать температуру во время абляции, что очень важно, потому что, если вы не находитесь в правильном температурном диапазоне, абляция не удастся. Если вы превысите цель тушения на 100 ° C, это будет опасно, потому что вы будете кипятить интерстициальную жидкость и кровь, и это создаст такие проблемы, как пузырьки, которые могут вызвать инфаркт и инсульт. Итак, вы должны быть очень точными. Матрица измерения силы позволяет вам установить хороший физический контакт между абляционной матрицей и сердцем, что критически важно для абляции, потому что, если у вас нет хорошего контакта, независимо от того, сколько энергии вы прикладываете к исполнительным механизмам, они не будут доставлять соответствующую энергию самому сердцу.

Сегодня абляцию проводят с помощью одного одноточечного катетера, буквально провода, который вы вставляете внутрь сердца и который вы прокалываете точечно. В нашем случае у нас будут сотни датчиков, покрывающих большую площадь сердца. Этот очень важный контакт может быть установлен только с помощью измерения силы. К сожалению, вы не можете увидеть сердце на рентгене, потому что это мягкая ткань, и контакт с сердечной мышцей очень мал. Таким образом, вы можете увидеть катетер на рентгеновском снимке, но не само сердце.

Наше устройство также позволяет нам проводить альтернативный тип абляции. В настоящее время это делается в основном с помощью РЧ, что называется термической абляцией, потому что РЧ-ток увеличивает температуру. В качестве альтернативы мы можем использовать криоаблацию — широко распространенную, хотя и менее распространенную процедуру, при которой сердце замораживают.

Другой метод, появившийся в настоящее время, называется необратимой электропорацией, когда вместо сжигания ткани вы пропускаете через нее сильный ток, который пробивает дырки в клеточных мембранах и, таким образом, убивает клетки. Это делается за микросекунды, в то время как термическим методам, таким как RF, требуется несколько минут, чтобы как бы приготовить ткань, чтобы она могла ее убить. Необратимая электропорация в настоящее время становится нетермической технологией, хотя она еще не полностью разработана для кардиологических применений. Однако наше устройство может это сделать.

Подводя итог:наше устройство может выполнять аблацию в нескольких местах — вам не нужно перемещать катетер. Вы можете проводить аблацию всей области по мере необходимости на основе карты аритмии, полученной с того же устройства. Это уникально — такого еще не было, когда картирование и абляция выполняются в одном устройстве. Кроме того, датчики температуры и усилия обеспечивают безопасность.

Технические обзоры: Один вопрос:при электропорации ток проходит через клетку?

Доктор. Ефимов: Да, когда вы прикладываете достаточное количество энергии, стимулируя ткань или клетки, вы разрушаете мембрану, потому что ток протекает через липидные мембраны, которые обычно непроводят. Они состоят, по сути, из жира, который не проводит электричество, но если вы приложите достаточно энергии, вы порвете мембрану и убьете клетку.

Обратимая электропорация — еще одно приложение, использующее немного меньше энергии. Используется для доставки макромолекул. Для генной терапии, чтобы привести один пример, вы также должны порировать клетки, делать в них отверстия, но легкие отверстия. И эти дыры сами себя залатают впоследствии. Это позволяет помещать внутрь клетки макромолекулы, такие как фрагменты РНК или белков или какие-то другие крупные молекулы. Они не могут проникнуть через мембрану интактной клетки, но могут пройти через поры, созданные током электропорации. Мы планируем, что наше устройство будет использоваться и для этого. Так что, если кому-то нужна генная терапия в какой-то области сердца, мы можем доставить ток электропорации и обеспечить соответствующую терапию.

Технические обзоры: Как подавать РЧ-мощность в устройство и как получить достаточную РЧ-мощность для нагрева?

Доктор. Ефимов: Хороший вопрос. Это показывает, почему это устройство не сможет быть действительно имплантируемым. Наше устройство представляет собой катетер, соединенный кабелем с внешней электроникой, и имеет форму баллона. Вы делаете надрез, вскрываете вену, обычно в области паха, и проходите через вену в сердце, но оно соединено кабелем с внешней электроникой. Когда оно находится в сердце, вы развертываете его, обнажаете, и оно обретает форму. Или вы можете ввести физиологический раствор внутрь баллона, и он примет соответствующую форму. Хотя он вступает в контакт с тканью, он жестко связан. Так вы доставляете достаточно энергии. На данный момент я не знаю источника энергии, достаточно мощного, чтобы передавать что-то подобное по беспроводной сети или от батареи.

Технические обзоры: И верно ли то же самое для электропорации?

Доктор. Ефимов: Да, электропорация, в частности, требует еще большей энергии. Однако для этой процедуры вам не нужно ничего имплантировать. Сотни тысяч пациентов в год только в Соединенных Штатах подвергаются аблации по признаку аритмии. Как я уже сказал, лекарства обычно не действуют, поэтому единственный способ что-то с этим поделать — это абляция. Для абляции вы вставляете электрод, пациент ложится на стол и получает легкое успокоительное. Вы вставляете кабель, выполняете процедуру, удаляете оборудование, а затем пациент идет домой.

Но мы работаем и над другой процедурой. На самом деле, я разработал имплантируемое устройство для лечения фибрилляции предсердий или желудочков с помощью низкоэнергетической терапии, но мы не проводим аблацию с помощью этого устройства. Мы применяем последовательность импульсов низкой энергии, чтобы остановить аритмию. Однако к имплантируемым устройствам предъявляются гораздо более жесткие требования, поскольку вы собираетесь оставить их в организме пациента на длительное время.

Технические обзоры: Я видел на вашем рисунке, что у вас есть большое количество датчиков и приводов на баллоне на конце катетера. Как вы их соединяете?

Доктор. Ефимов: Вы можете напрямую подключиться с помощью змеевидных проводов, что обеспечивает гибкость, но в этом случае у вас будет узкое место. Итак, мы оснащаем каждый датчик и привод собственной схемой. Если это датчик, у нас есть схема для усиления, фильтрации и мультиплексирования. Если это исполнительный механизм, мы делаем мультиплексирование. Если вы говорите о системах с высокой пропускной способностью, требуется мультиплексирование. Я ожидаю, что в будущем нам потребуется от нескольких сотен до тысяч датчиков и исполнительных механизмов, поэтому для этого определенно потребуется мультиплексирование.

Технические обзоры: Какие приводы вы используете?

Доктор. Ефимов: Для этого применения только электрический, будь то радиочастотная абляция или необратимая электропорация. Однако ранее мы писали о том, что у нас могут быть приводы для света, например, для оптической спектроскопии. Привод на таком устройстве будет иметь светодиод и фотодиод. Светодиод излучает свет с определенной длиной волны, который возбуждает флуоресценцию молекул внутри сердца, а фотодиод улавливает эту флуоресценцию. Это даст нам представление о различных клеточных процессах в сердце, например, об обмене веществ. Таким образом, существуют различные типы датчиков и исполнительных механизмов.

Технические обзоры: Вы тестировали это на лабораторных животных?

Доктор. Ефимов: В нашем предыдущем проекте, где мы разработали миниатюрный кардиостимулятор без батареи, мы показали, что можем имплантировать его крысе, которая может носить его в течение месяца или около того и использовать его в качестве кардиостимулятора в течение длительного времени.

Технические обзоры: Итак, вы тестировали это устройство на крысах?

Доктор. Ефимов: Мы протестировали это устройство в нескольких условиях, на эксплантированных человеческих сердцах, неприемлемых для трансплантации, которые мы получили от нашей местной организации по закупке органов в Вашингтоне, округ Колумбия. В конечном итоге мы планируем испытать его на людях. Но мы провели тест на свиньях. Мы не можем тестировать эти катетеры на мелких животных, потому что они рассчитаны на размер человеческого сердца.

Технические обзоры: Есть ли у вас общее представление о том, когда это может быть коммерциализировано?

Доктор. Ефимов: Я бы с уверенностью сказал, что от трех до пяти лет — это хороший показатель. Для клинического стартапа нам нужен венчурный капитал — это наш следующий шаг.

Технические обзоры: А как насчет вашей предыдущей работы над имплантируемыми дефибрилляторами?

Доктор. Ефимов: Моя цель состояла в том, чтобы уменьшить количество энергии, необходимой для дефибрилляции. В настоящее время дефибрилляторы, которые вживляют в грудную клетку человека при желудочковых аритмиях или внезапной сердечной смерти, спасают жизни. Но иногда они могут срабатывать неуместно, когда пациент в сознании, и это очень болезненно. В грудь поступает огромное количество энергии. Из-за боли, вызванной ударом, их нельзя использовать у пациентов с мерцательной аритмией. Больные с фибрилляцией предсердий находятся в сознании, в отличие от больных в состоянии внезапной сердечной смерти вследствие фибрилляции желудочков, которые уже находятся в бессознательном состоянии, и для которых это вопрос жизни и смерти, поэтому для них дело не в боли.

Наша работа заключалась в том, как изменить стратегию дефибрилляции, чтобы сделать ее безболезненной. Что я и делал несколько лет. В настоящее время мы проводим клинические испытания технологии имплантируемых дефибрилляторов.

Технические обзоры: Мне кажется, что ваша работа внесет серьезные изменения в методы лечения сердечных заболеваний.

Доктор. Ефимов: Я думаю так. Над чем Джон Роджерс работал в течение многих лет как ученый-материаловед — он взял на себя обязательство разработать целую традицию производства электроники из материалов, которые являются биологически совместимыми:мягкими, эластичными, податливыми и не вызывают воспалений. Вся эта работа в настоящее время приносит плоды во многих областях медицины. Меня особенно интересует кардиология, но также ведутся работы в области неврологии, интерфейса мозг-компьютер, мышечного контроля у пациентов с повреждением нервов и так далее. Итак, это действительно хорошее время, чтобы заняться биоэлектроникой. Думаю, следующие десять-пятнадцать лет будут невероятно фантастическими!

Например, я являюсь частью сообщества, основанного NIH; программа под названием SPARC, которая сосредоточена на том, как контролировать периферические нервы, которые контролируют периферические органы, чтобы по существу контролировать различные заболевания. Симпатическая и парасимпатическая нервные системы контролируют все органы в организме:сердце, легкие, желудок, кишечник и так далее. Вы можете уменьшить бремя многих болезней или даже устранить болезнь, если сможете контролировать нервы. Сейчас мы работаем над созданием интерфейса, который сможет стимулировать симпатические и парасимпатические нервы, а также записывать их. Это также изменит многие области медицины.

Технические обзоры: Звучит как научная фантастика.

Доктор. Ефимов: Десять лет назад это было было научная фантастика. На самом деле, я прямо сейчас пишу еще один грант вместе с парой соавторов, для которого я предложил использовать в названии ныне забытое слово «киборг», потому что он и кибернетический, и органический.

Отредактированная версия этого интервью была опубликована в выпуске журнала Tech Briefs за ноябрь 2020 г.