La luce e l'optogenetica consentono un pacemaker meno doloroso e senza batteria / Light and optogenetics enable less painful and battery-free pacemaker

 La luce e l'optogenetica consentono un pacemaker meno doloroso e senza batteria / Light and optogenetics enable less painful and battery-free pacemaker

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il dispositivo utilizza la luce ed una tecnica chiamata optogenetica, che modifica le cellule sensibili alla luce, quindi usa la luce per influenzare il comportamento di quelle cellule /  The device uses light and a technique called optogenetics, which modifies cells that are sensitive to light, then uses light to affect the behaviour of those cells - Philipp Gutruff

Un gruppo di ricercatori dell'Università dell'Arizona ha sviluppato un pacemaker wireless, senza batteria, progettato per essere impiantato con una procedura meno invasiva di quella attualmente possibile.

Lo studio, dettagliato in un articolo pubblicato su Science Advances, è stato diretto da ricercatori del  Gutruf Lab presso l'Università dell'Arizona, guidati dal professore assistente di ingegneria biomedica e membro della facoltà di Craig M. Berge Philipp Gutruf.

I pacemaker regolano il battito cardiaco delle persone con malattie cardiache croniche come la fibrillazione atriale ed altre forme di aritmia, ma l'impianto è una procedura invasiva ed il ritmo salvavita fornito dai dispositivi può essere estremamente doloroso.

I pacemaker attualmente disponibili funzionano impiantando uno o due elettrocateteri nel cuore con ganci o viti. Se i sensori su questi elettrocateteri rilevano un'irregolarità pericolosa, inviano una scarica elettrica attraverso il cuore per azzerare il battito.

"Tutte le cellule all'interno del cuore vengono colpite contemporaneamente, compresi i recettori del dolore, e questo è ciò che rende dolorosa la stimolazione o la defibrillazione", ha affermato Gutruf in una nota. "Colpisce il muscolo cardiaco nel suo insieme".

Ancora da testare sugli esseri umani, il dispositivo, che utilizza la luce e l'optogenetica, consentirebbe ai pacemaker di inviare segnali molto più mirati utilizzando un nuovo progetto della maglia prodotto digitalmente che abbraccia l'intero cuore.

L'optogenetica modifica le cellule, di solito i neuroni, sensibili alla luce, quindi usa la luce per influenzare il comportamento di quelle cellule. Questa tecnica prende di mira solo i cardiomiociti, le cellule del muscolo che innescano la contrazione e compongono il battito del cuore. Questa precisione non solo ridurrà il dolore per i pazienti con pacemaker bypassando i recettori del dolore del cuore, ma consentirà anche al pacemaker di rispondere a diversi tipi di irregolarità in modi più appropriati; durante la fibrillazione atriale, le camere superiore e inferiore del cuore battono in modo asincrono ed il ruolo di un pacemaker è quello di rimettere in linea le due parti.

"Mentre in questo momento, dobbiamo scioccare tutto il cuore per farlo, questi nuovi dispositivi possono fare un targeting molto più preciso, rendendo la defibrillazione sia più efficace che meno dolorosa", ha affermato Igor Efimov, professore di ingegneria biomedica e medicina presso la Northwestern University, dove i dispositivi sono stati testati in laboratorio. "Questa tecnologia potrebbe semplificare la vita ai pazienti di tutto il mondo, aiutando anche scienziati e medici a saperne di più su come monitorare e curare la malattia".

Per garantire che i segnali luminosi possano raggiungere molte parti diverse del cuore, il gruppo ha creato un progetto che prevede l'inclusione dell'organo anziché l'impianto di elettrocateteri che forniscono punti di contatto limitati.

Il nuovo modello di pacemaker è costituito da quattro strutture a forma di petalo costituite da una pellicola sottile e flessibile, che contengono sorgenti luminose ed un elettrodo di registrazione. I petali, appositamente progettati per adattarsi al modo in cui il cuore cambia forma mentre batte, si ripiegano attorno ai lati dell'organo per avvolgerlo.

"I pacemaker attuali registrano fondamentalmente una soglia semplice e ti diranno: 'Questo sta andando in aritmia, ora shock!'", Ha detto Gutruf. "Ma questo dispositivo ha un computer a bordo in cui puoi inserire diversi algoritmi che ti consentono di eseguire il ritmo in un modo più sofisticato. È fatto per la ricerca".

Poiché il sistema utilizza la luce per influenzare il cuore, il dispositivo può continuare a registrare le informazioni quando il pacemaker deve defibrillare. Negli attuali pacemaker, il segnale elettrico della defibrillazione può interferire con le capacità di registrazione, lasciando ai medici un quadro incompleto degli episodi cardiaci. Inoltre, il dispositivo non richiede una batteria, il che potrebbe evitare che i pazienti portatori di pacemaker debbano sostituire la batteria del dispositivo ogni cinque o sette anni.

ENGLISH

A wireless, battery-free pacemaker designed to be implanted in a less invasive procedure than currently possible has been developed by a University of Arizona-led team of researchers.

The study, detailed in a paper published in Science Advances, was directed by researchers in the Gutruf Lab at the University of Arizona, led by biomedical engineering assistant professor and Craig M. Berge Faculty Fellow Philipp Gutruf.

Pacemakers regulate the heartbeats of people with chronic heart diseases like atrial fibrillation and other forms of arrhythmia, but implantation is an invasive procedure and the lifesaving pacing the devices provide can be extremely painful.

Currently available pacemakers work by implanting one or two leads into the heart with hooks or screws. If the sensors on these leads detect a dangerous irregularity, they send an electrical shock through the heart to reset the beat.

"All of the cells inside the heart get hit at one time, including the pain receptors, and that's what makes pacing or defibrillation painful," Gutruf said in a statement. "It affects the heart muscle as a whole."

Yet to be tested on humans, the device, which uses light and optogenetics, would allow pacemakers to send much more targeted signals using a new digitally manufactured mesh design that encompasses the entire heart.

Optogenetics modifies cells, usually neurons, sensitive to light, then uses light to affect the behaviour of those cells. This technique only targets cardiomyocytes, the cells of the muscle that trigger contraction and make up the beat of the heart. This precision will not only reduce pain for pacemaker patients by bypassing the heart's pain receptors, it will also allow the pacemaker to respond to different kinds of irregularities in more appropriate ways; during atrial fibrillation, the upper and lower chambers of the heart beat asynchronously, and a pacemaker's role is to get the two parts back in line.

"Whereas right now, we have to shock the whole heart to do this, these new devices can do much more precise targeting, making defibrillation both more effective and less painful," said Igor Efimov, professor of biomedical engineering and medicine at Northwestern University, where the devices were lab-tested. "This technology could make life easier for patients all over the world, while also helping scientists and physicians learn more about how to monitor and treat the disease."

To ensure the light signals can reach many different parts of the heart, the team created a design that involves encompassing the organ instead of implanting leads that provide limited points of contact.

The new pacemaker model consists of four petallike structures made of thin, flexible film, which contain light sources and a recording electrode. The petals, specially designed to accommodate the way the heart changes shape as it beats, fold up around the sides of the organ to envelop it.

"Current pacemakers record basically a simple threshold, and they will tell you, 'This is going into arrhythmia, now shock!'" Gutruf said. "But this device has a computer on board where you can input different algorithms that allow you to pace in a more sophisticated way. It's made for research."

Because the system uses light to affect the heart, the device can continue recording information when the pacemaker needs to defibrillate. In current pacemakers, the electrical signal from the defibrillation can interfere with recording capabilities, leaving physicians with an incomplete picture of cardiac episodes. Additionally, the device does not require a battery, which could save pacemaker patients from needing to replace the battery in their device every five to seven years.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/light-and-optogenetics-enable-less-painful-and-battery-free-pacemaker