Революция в кардиологии: мягкая электроника для лечения аритмий

Профессор Игорь Ефимов и команда в Джордж Вашингтон университете в Вашингтоне, DC — в сотрудничестве с лабораторией профессора Джона Роджерса из Северо-Западного университета в Чикаго, IL — пионерят новый класс медицинских инструментов, использующих гибкую электронику для улучшения результатов пациентов в минимально инвазивных операциях.

Tech Briefs: Как вы начали этот проект?

Доктор Игорь Ефимов: Я занимаюсь кардиологическими исследованиями уже довольно давно. Я начал карьеру как независимый исследователь в Клинике Кливленд, которая имеет долгую культуру инноваций и имела много крупных прорывов. Я работал с рядом блестящих кардиологов там и я был действительно трансформирован тем опытом.

Моя работа была сфокусирована на аритмии и лечении расстройств сердечного ритма. Второе важное переживание было около семи или восьми лет назад. Я искал новую платформу для внедрения медицинских устройств и наткнулся на работу Джона Роджерса, который делал достижения в биологически совместимых материалах. Он уже работал с некоторыми биологами, в основном в области нейронауки. Я пригласил его сотрудничать со мной по кардиологии, и мы сделали большой объем работы вместе с тех пор. Сначала мы создали платформу для органоконформной электроники. Потом мы пошли дальше и создали платформу для «умной» электроники — по сути медицинских устройств, оснащенных их собственной микросхемой, позволяющей обработку сигналов, усиление, мультиплексирование и так далее. Наш следующий проект — беспроводные имплантируемые кардиостимуляторы. Мы сейчас работаем над тем, чтобы сделать их биоресорбируемыми, чтобы они могли всасываться после того, как они больше не нужны.

Tech Briefs: Как беспроводное устройство питается?

Доктор Ефимов: Кардиостимулятор имеет антенну, соответствующую внешней антенне. Вы могли бы иметь цепь снаружи вашего тела — встроенную в вашу одежду или носимый накладку — которая передает энергию и программирование во имплантированную электронику с использованием индуктивной передачи энергии.

Примерно в 2013 году мы спроектировали кардиостимулятор, который работал в мыши. Но, к сожалению, мы использовали серебряный проводной электрод, который был настолько жестким, что привел к повреждению сердечной мышцы, поэтому у нас было очень высокое смертность среди наших мышей. Это дало мне идею использовать мягкую конформную электронику, которую Джон спроектировал. Это был мой первоначальный стимул — я спросил его, может ли он решить мою проблему, и он сделал.

Наша недавняя статья говорит о том, как создать устройство для perkutанного трансвенозного катетера. Оно не будет имплантировано, а будет вставлено внутрь сердца и навигировано к области аритмии. У него пять разных функций с тремя типами сенсоров и актуаторов, которые могут служить двум разным функциям. Этот вид многофункциональной, мультифизической возможности позволяет драматически улучшить скорость абляционных лечений. Абляция — это передовая технология, используемая для лечения расстройств сердечного ритма. 85% пациентов с фибрилляцией предсердий (AF) или желудочковой тахикардией не могут быть лечены лекарствами, поэтому они вынуждены жить с этим заболеванием. К сожалению, это приводит к драматическому увеличению инсульта и смертности. Только в США около 5 миллионов пациентов с AF. Во всем мире — около 15 миллионов, и к 2050 году прогнозируется, что будет 50 миллионов людей с фибрилляцией предсердий из-за увеличения продолжительности жизни.

Кардиальная абляция — это процедура, которая может исправить фибрилляцию предсердий, уничтожая сердечную ткань, вызывающую ее. В настоящее время лечение делается вставкой нескольких кусков оборудования. Одно используется для создания электрограмм, картографирующих аритмию записью электрических сигналов от сердца. Эти электрограммы могут использоваться для попытки понять источник аритмии. Другой кусок оборудования может быть вставлен для абляции. Абляция означает, что вы по сути сжигаете ткань, используя RF ток, который повышает температуру ткани до примерно 55°C – 60°C [131°F – 140°F]. В результате вы убиваете клетки, ответственные за аритмию, и надеетесь убить AF. Потому что вы делаете процедуру асинхронно, одно для локализации, другое для абляции, есть много технических трудностей сделать это правильно. Требуются рентгеновские снимки, потому что когда вы вставляете электроды, у вас очевидно нет прямой линии зрения. Единственный способ увидеть оборудование внутри сердца и навигировать правильно — использовать рентгеновские снимки. Это подвергает пациента и врача дозе излучения, которая не полностью безопасна. Наша технология может снизить излучение, объединяя картографирование и абляцию в одно устройство. Вам не нужно смещать устройство так много раз, потому что наше устройство имеет многочисленные сенсоры и актуаторы, покрывающие большую площадь сердца. Вы можете поэтому картографировать и абляционировать без повторного репозиционирования катетера, что снизит воздействие излучения.

Есть пара дополнительных модальностей, которые обычно не присутствуют в таких устройствах картографирования: матрица датчиков температуры, и другая датчиков силы. Эти две матрицы дают вам показания в реальном времени. Датчики температуры позволяют вам мониторить температуру во время абляции, что критично, потому что если вы не в правильном температурном диапазоне, абляция провалится. Если вы превысите цель погашения на 100°C, это будет опасно, потому что вы закипите интерстициальные жидкости и кровь, и это создаст проблемы вроде пузырей, которые могут вызвать инфаркт и инсульт. Так что вы должны быть очень точными. Матрица измерения силы позволяет вам установить, что у вас хороший физический контакт между абляционной матрицей и сердцем, что критически важно для абляции, потому что если у вас нет хорошего контакта, неважно сколько энергии вы приложите к актуаторам, они не доставят подходящую энергию к самому сердцу.

Способ, которым абляция делается сейчас — с одиночным точечным катетером, буквально проводом, который вы вставляете в сердце, который тычете точку за точкой. В нашем случае у нас будут сотни сенсоров, покрывающие большую площадь сердца. Этот очень критичный контакт может быть установлен только с измерением силы. Вы не можете, к сожалению, увидеть сердце рентгеновским лучом, потому что это мягкая ткань и контакт с сердечной мышцей очень мал. Так что вы можете видеть катетер рентгеновским лучом, но не само сердце.

Наше устройство также позволяет нам сделать альтернативный тип абляции. В настоящее время это делается в основном RF, что называется термической абляцией, потому что RF ток повышает температуру. Альтернативно, мы можем использовать криоабляцию, широко используемую, хотя менее распространенную процедуру, где вы замораживаете сердце.

Другой метод, появляющийся сейчас, называется необратимой электропорацией, где вместо сжигания ткани, вы заряжаете ее высоким током, который проделывает дыры в клеточных мембранах и таким образом убивает клетки. Это делается за микросекунды, в то время как термические методы вроде RF требуют несколько минут, чтобы «приготовить» ткань, чтобы она могла умереть. Необратимая электропорация сейчас появляется как нетермическая технология, хотя она еще не была полностью разработана для кардиальных применений. Однако наше устройство имеет способность делать это.

Резюмируя: наше устройство может делать абляцию в множественных локациях — вам не нужно двигать катетер вокруг. Вы можете абляционировать всю область, как вам нужно, основанно на карте аритмии, полученной от того же устройства. Это уникально — это не было сделано раньше, имея картографирование и абляцию в одном устройстве. Плюс термическое и силовое сенсирование для обеспечения безопасности.

Tech Briefs: Один вопрос: Для электропорации, ток проходит через клетку?

Доктор Ефимов: Да, когда вы применяете достаточное количество энергии стимулируя ткань или клетки, вы разрушаете мембрану, потому что ток течет через липидные мембраны, которые обычно некондуктивны. Они состоят из жира, по сути, который не электрически кондуктивен, но если вы прилагаете достаточно энергию, вы порируете мембрану и убьете клетку.

Tech Briefs: Как вы получаете RF мощность в устройство и как вы получаете достаточно RF мощности для нагрева?

Доктор Ефимов: Хороший вопрос. Он показывает, почему это устройство не сможет быть действительно имплантируемым. Наше устройство — это катетер, соединенный кабелем с внешней электроникой и инструментированный на баллоноподобной структуре. Вы делаете разрез, открываете вену, обычно в паховой области, и идете через вену в сердце, но оно соединено кабелем с внешней электроникой. Когда оно в сердце, вы развертываете его, снимаете оболочку, и оно принимает форму. Или вы можете вставить физраствор внутри баллона, и оно принимает подходящую форму. Хотя оно контактирует с тканью, оно жестко проводное. Вот как вы доставляете достаточно энергию. Прямо сейчас я не знаю источника энергии достаточно большого, чтобы доставлять что-то такое беспроводно или от батареи.

Tech Briefs: И то же верно для электропорации?

Доктор Ефимов: Да, электропорация в частности фактически требует еще более высокую энергию. Для этой процедуры, однако, вам не нужно ничего имплантируемого. Сотни тысяч пациентов в год только в США абляционируются по индикации аритмии. Как я сказал, лекарства обычно не работают, поэтому единственный способ сделать что-то об этом — абляция. Для абляции вы вставляете электрод, пациент лежит на столе и легко седирован. Вы вставляете кабель, делаете процедуру, убираете оборудование, и потом пациент идет домой.

Но мы работаем над другой процедурой тоже. Фактически, я разработал имплантируемое устройство для лечения фибрилляции предсердий или желудочков с более низкой энергетической терапией, но мы не абляционируем с этим устройством. Мы применяем последовательность импульсов низкой энергии для терминации аритмии. Однако имплантируемые устройства имеют гораздо более строгие требования, потому что вы собираетесь оставить их в теле пациента на долгое время.

Tech Briefs: Я видел в вашей иллюстрации, что у вас большое количество сенсоров и актуаторов на баллоне на конце катетера. Как вы их интерконнектируете?

Доктор Ефимов: Вы можете напрямую соединять змеевидными проводами, что позволяет гибкость, но в том случае у вас будет бутылочное горлышко. Поэтому мы оснащаем каждый сенсор и актуатор своей собственной схемой. Если это сенсор, у нас есть схема для усиления, фильтрации и мультиплексирования. Если это актуатор, мы делаем мультиплексирование. Если вы говорите о высокопропускных системах, мультиплексирование требуется. В будущем я ожидаю, что нам понадобятся от высоких сотен до тысяч сенсоров и актуаторов, так что это определенно потребует мультиплексирования.

Tech Briefs: Какие актуаторы вы используете?

Доктор Ефимов: Для этого приложения просто электрические, будь то для RF абляции или необратимой электропорации. Однако ранее мы писали о том, как мы могли бы иметь актуаторы для света, например, для оптической спектроскопии. Актуатор на таком устройстве имел бы LED и фотодиод. LED излучит свет определенной длины волны, который возбудит флуоресценцию в молекулах внутри сердца, и фотодиод соберет ту флуоресценцию. Это даст нам показания для различных клеточных процессов в сердце, например, метаболизма. Так что есть различные типы сенсоров и актуаторов.

Tech Briefs: Вы тестировали это на лабораторных животных?

Доктор Ефимов: Для нашего предыдущего проекта, где мы разработали миниатюрный беспроводной кардиостимулятор, мы показали, что мы могли имплантировать его в крысу, которая могла иметь его месяц или около того, и использовать как кардиостимулятор долгосрочно.

Tech Briefs: Так, вы также тестировали это устройство в крысах?

Доктор Ефимов: Мы тестировали это устройство в паре настроек, в экслантированных человеческих сердцах, неприемлемых для трансплантации, которые мы получили от нашей местной организации по закупке органов в Вашингтоне DC. В конечном счете, мы планируем тестировать его в людях. Но мы сделали тест в свиньях. Мы не можем тестировать эти катетеры в мелких животных, потому что они спроектированы для размера человеческого сердца.

Tech Briefs: Есть ли у вас общее представление, когда это может быть коммерциализировано?

Доктор Ефимов: Я бы сказал безопасно, что три-пять лет — хорошее число. Для клинического стартапа нам нужно получить венчурный капитал — это наш следующий шаг.

Tech Briefs: А как насчет вашей предыдущей работы на имплантируемых дефибрилляторах?

Доктор Ефимов: Моя цель была снизить количество энергии, требуемое для дефибрилляции. В настоящее время дефибрилляторы, имплантируемые в человеческую грудь для желудочковых аритмий или внезапной сердечной смерти, спасают жизни. Но они могут срабатывать неапроприатно иногда, когда пациент сознателен, и это экстремально больно. Это огромное количество энергии, доставляемое в грудь. Из-за боли, вызванной шоком, они не могут использоваться для пациентов с фибрилляцией предсердий. Пациенты с фибрилляцией предсердий сознательны, в отличие от пациентов в состоянии внезапной сердечной смерти из-за желудочковой фибрилляции, которые уже бессознательны, и для которых это вопрос жизни и смерти, так что для них это не про боль.

Наша работа была о том, как изменить стратегию дефибрилляции, чтобы сделать ее безболезненной. Это то, что я делал несколько лет. Мы сейчас проводим клинические испытания с технологией имплантируемых дефибрилляторов.

Tech Briefs: Кажется мне, что ваша работа сделает крупные изменения в лечении сердечных заболеваний.

Доктор Ефимов: Я думаю так. То, над чем Джон Роджерс работал многие годы как материаловед — он взял на себя разработку целой производственной традиции для электроники, материалов, биологически совместимых: мягких, растяжимых, комплиантных и не вызывающих воспаление. Вся эта работа теперь приходит к плодоношению во многих областях медицины. Я особенно заинтересован в кардиологии, но есть также работа в неврологии, мозг-компьютер интерфейс, в мышечном контроле для пациентов с повреждением нервов, и так далее. Так что это действительно хорошее время быть в области биоэлектроники. Я думаю, следующие десять-пятнадцать лет будут невероятно фантастическими!

Например, я часть сообщества, основанного NIH; программа называется SPARC, которая фокусируется на том, как контролировать периферические нервы, контролирующие периферические органы, чтобы по сути контролировать разные заболевания. Симпатическая и парасимпатическая нервные системы контролируют все органы в теле: сердце, легкие, желудок, кишечник и так далее. Вы можете снизить бремя многих заболеваний, или даже устранить заболевание, если вы можете контролировать нервы. Мы сейчас работаем над построением интерфейса, который сможет стимулировать симпатические и парасимпатические нервы и также записывать их. Это также будет трансформационным во многих областях медицины.

Tech Briefs: Звучит как научная фантастика для меня.

Доктор Ефимов: Десять лет назад это была научная фантастика. Фактически, я пишу еще один грант прямо сейчас вместе с парой коллабораторов, для которого я предложил использовать теперь забытое слово «киборг» в заголовке, потому что это и кибернетическое, и органическое.

Отредактированная версия этого интервью появилась в ноябре 2020 года в Tech Briefs.