(Pacemaker-Immagine Credit Northwestern University).
La scorsa estate, gli scienziati della Northwestern University hanno presentato il primo pacemaker transitorio in assoluto, un dispositivo wireless completamente impiantabile che si dissolve in modo innocuo nel corpo quando non è più necessario. Ora i ricercatori svelano una nuova versione intelligente del pacemaker che è integrata in una rete coordinata di sensori wireless, morbidi, flessibili e indossabili e unità di controllo posizionate attorno alla parte superiore del corpo.
Lo studio è stato pubblicato il 27 maggio 2022 sulla rivista Science. Il lavoro è stato condotto da John A. Rogers, Igor R. Efimov e Rishi Arora della Northwestern University.
Guarda il pacemaker degradarsi in modo innocuo nel tempo. Credito: Northwestern University
I sensori comunicano tra loro per monitorare continuamente le varie funzioni fisiologiche del corpo, tra cui la temperatura corporea, i livelli di ossigeno, la respirazione, l’attività fisica, il tono muscolare e l’attività elettrica del cuore. Il sistema analizza quindi automaticamente questa attività combinata utilizzando algoritmi al fine di rilevare autonomamente ritmi cardiaci anormali e decidere quando stimolare il cuore e con quale frequenza. Tutte queste informazioni vengono trasmesse in streaming su uno smartphone o un tablet, in modo che i medici possano monitorare da remoto i loro pazienti.
“Questo approccio potrebbe cambiare il modo in cui i pazienti ricevono cure fornendo un controllo multimodale a circuito chiuso sui processi fisiologici essenziali, attraverso una rete wireless di sensori e stimolatori che opera in un modo ispirato ai complessi circuiti di feedback biologico che controllano i comportamenti negli organismi viventi”, hanno spiegato John A. Rogers e Louis Simpson e Kimberly Querry, Professori di scienze e ingegneria dei materiali, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica, rispettivamente.
Il nuovo pacemaker transitorio e la rete di sensori/controllo possono essere utilizzati in pazienti che necessitano di stimolazione temporanea dopo un intervento chirurgico cardiaco o sono in attesa di un pacemaker permanente. Il pacemaker raccoglie energia in modalità wireless da un nodo all’interno della rete, un piccolo dispositivo wireless che aderisce dolcemente al torace del paziente. Questa tecnologia elimina la necessità di hardware esterno, inclusi cavi.
Per consentire al sistema di comunicare con il paziente, i ricercatori hanno incorporato un piccolo dispositivo indossabile di feedback tattile che può essere indossato ovunque sul corpo. Quando i sensori rilevano un problema (come batteria scarica, posizionamento errato del dispositivo omalfunzionamento del pacemaker), il dispositivo tattile vibra secondo schemi specifici che avvisano gli utenti e li informano del problema.
Una scansione microCT di un piccolo modello animale mostra come il pacemaker transitorio si dissolve nel tempo. Credito: Northwestern University
Approfondimenti dagli esperti
“Questa è la prima volta che abbiniamo un’elettronica morbida e indossabile con piattaforme elettroniche transitorie”, ha affermato Rogers. “Questo approccio potrebbe cambiare il modo in cui i pazienti ricevono cure fornendo un controllo multimodale a circuito chiuso sui processi fisiologici essenziali, attraverso una rete wireless di sensori e stimolatori che opera in un modo ispirato ai complessi circuiti di feedback biologico che controllano i comportamenti negli organismi viventi. Per la stimolazione cardiaca temporanea, il sistema svincola i pazienti dagli apparati di monitoraggio e stimolazione che li tengono confinati in un ambiente ospedaliero. Invece, i pazienti potrebbero riprendersi nel comfort delle proprie case mantenendo la tranquillità che deriva dall’essere monitorati a distanza dai loro medici. Ciò ridurrebbe anche il costo dell’assistenza sanitaria e libererebbe posti letto ospedalieri per altri pazienti”.
“Nelle impostazioni attuali, i pacemaker temporanei richiedono un cavo collegato a un generatore esterno che stimoli il cuore”, ha affermato Efimov. “Quando il cuore riacquista la capacità di stimolare se stesso in modo appropriato, il filo deve essere estratto. Come puoi immaginare, questa è una procedura piuttosto drammatica per estrarre un filo collegato al cuore. Abbiamo deciso di affrontare questo problema da un’angolazione diversa. Abbiamo creato un pacemaker che si dissolve semplicemente e non ha bisogno di essere rimosso. Questo evita il passaggio pericoloso di tirare fuori il filo”.
“I pacemaker attuali sono abbastanza intelligenti e rispondono bene alle mutevoli esigenze dei pazienti”, ha affermato Arora. “Ma i moduli indossabili fanno tutto ciò che fanno i pacemaker tradizionali e altro ancora. Un paziente fondamentalmente indossa una piccola toppa sul petto e riceve un feedback in tempo reale per controllare il pacemaker. Non solo il pacemaker stesso è bioriassorbibile, ma è controllato da un cerotto morbido e indossabile che consente al pacemaker di rispondere alle normali attività della vita senza bisogno di sensori impiantabili”.
Collegamento della “rete dell’area corporea”
Pioniere della bioelettronica, Rogers e il suo laboratorio hanno sviluppato dispositivi indossabili morbidi, flessibili, wireless e tecnologie elettroniche bioriassorbibili per quasi due decenni. Nel nuovo studio, Rogers e i suoi collaboratori hanno combinato e coordinato il loro pacemaker bioriassorbibile senza piombo con quattro diversi dispositivi interfacciati con la pelle per lavorare insieme. I dispositivi montati sulla pelle sono morbidi, flessibili e possono essere rimossi delicatamente dopo l’uso, eliminando la necessità di rimozione chirurgica. Il pacemaker si dissolve naturalmente nel corpo dopo un periodo di necessità.
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La “rete del corpo” comprende:
- Un pacemaker transitorio bioriassorbibile senza batteria per stimolare temporaneamente il cuore
- Un modulo cardiaco che si trova sul torace per fornire alimentazione e controllare i parametri di stimolazione per il pacemaker impiantato, nonché per rilevare l’attività elettrica e i suoni del cuore
- Un modulo emodinamico che si trova sulla fronte per rilevare la pulsossimetria, l’ossigenazione dei tessuti e il tono vascolare
- Un modulo respiratorio che si trova alla base della gola per monitorare la tosse e l’attività respiratoria
- Un modulo di feedback multi-tattile che vibra e pulsa in una varietà di schemi per comunicare con il paziente.
“Volevamo dimostrare che è possibile distribuire più tipi diversi di dispositivi, ciascuno dei quali svolge funzioni essenziali in modo coordinato in modalità wireless in tutto il corpo”, ha affermato Rogers. “Alcuni stanno sentendo. Alcuni stanno fornendo energia. Alcuni sono stimolanti. Alcuni stanno fornendo segnali di controllo. Ma lavorano tutti insieme, scambiano informazioni, prendono decisioni basate su algoritmi e reagiscono alle mutevoli condizioni. La visione di più dispositivi bioelettronici che parlano tra loro e svolgono funzioni diverse in diverse posizioni anatomiche rilevanti è un’area di frontiera che continueremo a perseguire in futuro”.
Nuovi progressi, ritmo on-demand
Da quando il pacemaker transitorio della Northwestern è stato introdotto per la prima volta un anno fa, i ricercatori hanno apportato numerosi miglioramenti per far avanzare la tecnologia. Mentre il dispositivo precedente era flessibile, il nuovo dispositivo è flessibile ed elastico, e si adatta meglio alla natura mutevole di un cuore che batte. Un altro nuovo vantaggio: poiché il pacemaker transitorio si dissolve lentamente e in modo innocuo, ora rilascia un farmaco antinfiammatorio per prevenire le reazioni da corpo estraneo.
Forse il progresso di maggior impatto è la capacità del dispositivo di fornire la stimolazione su richiesta, in base a quando il paziente ne ha bisogno. Sincronizzato con il pacemaker, il modulo cardiaco montato sul torace registra un elettrocardiogramma in tempo reale per monitorare l’attività cardiaca. Nello studio, i ricercatori hanno confrontato questa tecnologia wireless con gli elettrocardiogrammi gold standard e hanno scoperto che era accurata e precisa come i sistemi di livello clinico.
“Il modulo cardiaco dice letteralmente al pacemaker di applicare lo stimolo al cuore”, ha spiegato Efimov. “Se si riprende l’attività normale, si interrompe il ritmo. Questo è importante perché se stimoli il cuore quando non è necessario, rischi di indurre l’aritmia”.
“Il sistema di stimolazione è completamente autonomo”, ha affermato Yeon Sik Choi, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Rogers e co-primo autore del documento. “Può rilevare automaticamente un problema e applicare un trattamento. È facile e autonomo con esigenze esterne minime”.
Assistenza sanitaria abbastanza delicata per i neonati
Rogers, Efimov, Arora e i loro team ritengono che il loro sistema sarebbe più vantaggioso per i pazienti più vulnerabili. Ogni anno nascono circa 40.000 bambini con un buco nella parete che separa le camere superiori del loro cuore. Circa 10.000 di questi casi sono in pericolo di vita e richiedono un intervento chirurgico immediato. Dopo l’intervento chirurgico, il 100% dei bambini riceve un pacemaker temporaneo.
“La buona notizia è che questa è una condizione temporanea”, ha detto Efimov. “Dopo circa cinque-sette giorni, il cuore riacquista la capacità di stimolarsi e non ha più bisogno di un pacemaker. La procedura per rimuovere il pacemaker è notevolmente migliorata nel corso degli anni, quindi il tasso di complicanze è basso. Ma potremmo liberare questi bambini dai fili che si collegano a un generatore esterno e liberarli dal bisogno di una seconda procedura”.
Fonte:Science
