Revolucionando la atención cardíaca: Electrónica suave para tratar arritmias

Prof. Igor Efimov y equipo en Universidad George Washington (Washington, DC) —en colaboración con laboratorio del Prof. John Rogers en Northwestern University (Chicago, IL)— están pioneros en nueva clase de instrumentos médicos que usa electrónica flexible para mejorar resultados en cirugías mínimamente invasivas.

Tech Briefs: ¿Cómo empezó en este proyecto?

Dr. Igor Efimov: Llevaba tiempo en investigación cardíaca. Empecé como investigador independiente en Cleveland Clinic, cultura de innovación con muchos avances mayores. Trabajé con cardiólogos brillantes y fui transformado por esa experiencia.

Mi trabajo se centró en arritmia y tratamiento de trastornos ritmo cardíaco. Segunda experiencia importante fue hace 7-8 años. Buscaba nueva plataforma para implementar dispositivos médicos y descubrí trabajo de John Rogers, avances en materiales biológicamente compatibles. Ya había trabajado con biólogos, principalmente neurociencia. Lo invité a colaborar en cardiología y hemos hecho mucho trabajo juntos. Primero creamos plataforma para electrónica conformal a órganos. Luego plataforma para electrónica “inteligente” —dispositivos médicos con microcircuitos propios para procesamiento señal, amplificación, multiplexado, etc. Nuestro siguiente proyecto: marcapasos implantables sin batería. Ahora trabajamos para hacerlos biorresorbibles, que se absorban tras no ser necesarios.

Tech Briefs: ¿Cómo se alimenta dispositivo sin batería?

Dr. Efimov: Marcapasos tiene antena que coincide con antena externa. Podría tener circuito fuera del cuerpo —incrustado en ropa o parche vestible— que transmita energía y programación a electrónica implantada mediante transferencia inductiva.

~2013 diseñamos marcapasos que funcionaba en ratón. Pero usamos electrodo de hilo de plata tan rígido que dañó músculo cardíaco, alta mortalidad en ratones. Eso me dio idea de usar electrónica conformal blanda que John diseñó. Fue mi estímulo inicial —le pregunté si podía resolver mi problema, y lo hizo.

Nuestro paper más reciente habla de dispositivo para catéter transvenoso percutáneo. No se implantará pero se insertará dentro del corazón y navegará hacia área de arritmia. Tiene cinco funciones con tres tipos de sensores y actuadores que sirven dos funciones. Esta multifuncionalidad multiphysics permite mejorar drásticamente velocidad de tratamientos ablativos. Ablación es tecnología estado-de-arte para trastornos ritmo cardíaco. 85% pacientes con fibrilación auricular (FA) o taquicardia ventricular no tratables con fármacos, deben vivir con enfermedad. Eso aumenta dramáticamente tasa ictus y mortalidad. Solo EE. UU. tiene ~5 millones FA. Mundial ~15 millones, proyectados 50 millones para 2050 por mayor esperanza de vida.

Ablación cardíaca corrige FA destruyendo tejido cardíaco causante. Actualmente, tratamiento inserta varios hardwares. Uno crea electrogramas mapeando arritmia registrando señales eléctricas del corazón. Esos electrogramas usan para entender fuente arritmia. Otro hardware insertado para ablación. Ablación quema tejido con corriente RF, subiendo temperatura tejido a 55-60°C. Matas células responsables y esperas matar FA. Como haces procedimiento asíncrono, uno para localización y otro para ablación, hay muchas dificultades técnicas para hacerlo bien. Requiere rayos X, porque al insertar electrodos no tienes visión directa. Única forma ver hardware dentro del corazón y navegar es instantáneas de rayos X. Esto expone paciente y médico a radiación no del todo segura. Nuestra tecnología reduce radiación combinando mapeo y ablación en un dispositivo. No necesitas desplazar dispositivo tantas veces porque nuestro dispositivo tiene numerosos sensores y actuadores cubriendo gran área del corazón. Puedes mapear y ablar sin reposicionar catéter repetidamente, reduciendo exposición radiación.

Hay un par de modalidades adicionales no típicas en dispositivos mapeo: matriz sensores temperatura, y otra de sensores fuerza. Estas dan lecturas en tiempo real. Sensores temperatura permiten monitorizar temperatura mientras ablas, crítico porque si no en rango correcto, ablación falla. Si excedes objetivo 100°C, peligroso: hervirás fluidos intersticiales y sangre creando burbujas que causan infarto e ictus. Precisión vital. Matriz fuerza permite establecer buen contacto físico entre matriz ablación y corazón, crítico para ablación, porque sin buen contacto, por mucha energía que apliques a actuadores, no entregan energía apropiada al corazón.

Forma actual ablación: catéter de un punto, literalmente alambre insertado en corazón, que pincha punto por punto. En nuestro caso, tendremos 100s sensores cubriendo gran área. Este contacto crítico solo establecible con medición fuerza. No puedes ver corazón con rayos X porque tejido blando y contacto con músculo cardíaco muy pequeño. Ves catéter con rayos X pero no corazón.

Nuestro dispositivo también permite ablación alternativa. Actualmente RF (ablación térmica). Alternativamente, criobablación, procedimiento ampliamente usado aunque menos común, donde congelas corazón.

Otro método emergente: electroporación irreversible, donde en lugar de quemar, das corriente alta que perfora membranas celulares matando células. Hecho en microsegundos, mientras métodos térmicos RF requieren minutos “cocer” tejido. Electroporación irreversible emerge como tecnología no térmica, aunque no totalmente desarrollada para aplicaciones cardíacas. Nuestro dispositivo tiene capacidad para hacerlo.

Resumiendo: nuestro dispositivo ablación en múltiples ubicaciones —no necesitas mover catéter. Puedes ablar toda área necesario basado en mapa arritmia derivado mismo dispositivo. Único —no se ha hecho antes, mapeo y ablación en mismo dispositivo. Más sensado térmico y fuerza para seguridad.

Tech Briefs: Para electroporación, ¿corriente atraviesa célula?

Dr. Efimov: Sí, al aplicar energía suficiente estimulando tejido/células, disruptas membrana porque corriente fluye través membranas lipídicas, típicamente no conductoras. Consisten grasa, no conductor eléctrico, pero si aplicas energía suficiente porarás membrana y matarás célula.

Electroporación reversible otra aplicación, energía ligeramente menor. Usada para entrega macromoléculas. Terapia génica, ejemplo, también poras células, agujeros suaves. Esos agujeros se reparan después. Permite meter macromoléculas dentro: ARN, proteínas, otras moléculas grandes. No penetran membrana intacta, pero pasan por poros creados por corriente electroporante. Planeamos nuestro dispositivo para eso también. Si alguien necesita terapia génica en área corazón, entregamos corriente electroporante y terapia apropiada.

Tech Briefs: Cómo meten potencia RF en dispositivo y cómo obtienen suficiente potencia RF para calentar?

Dr. Efimov: Buena pregunta. Muestra por qué dispositivo no será realmente implantable. Nuestro dispositivo es catéter conectado con cable a electrónica exterior e instrumentado en estructura tipo globo. Haces incisión, abres vena (usual ingle), vas por vena al corazón, pero conectado por cable a electrónica exterior. Cuando en corazón lo despliegas, lo desenvainas, toma forma. O insertas suero en globo, toma forma apropiada. Aunque contacta tejido, está cableado. Así entregas energía suficiente. Ahora no conozco fuente energía suficiente para entregar algo así inalámbricamente o desde batería.

Tech Briefs: ¿Lo mismo para electroporación?

Dr. Efimov: Sí, electroporación requiere energía aún mayor. Para este procedimiento, no necesitas nada implantable. Cientos miles pacientes/año en EE. UU. ablan por indicación arritmia. Como dije, fármacos usualmente no funcionan, única forma hacer algo es ablar. Para ablación, insertas electrodo, paciente en mesa sedado ligero. Insertas cable, haces procedimiento, quitas hardware, paciente va a casa.

Pero trabajamos otro procedimiento también. De hecho, he desarrollado dispositivo implantable para tratamiento fibrilación auricular/ventricular con terapia baja energía, pero no ablamos con este. Aplicamos secuencia pulsos baja energía para terminar arritmia. Sin embargo, dispositivos implantables tienen requisitos más estrictos porque los dejas en cuerpo paciente largo tiempo.

Tech Briefs: Vi en ilustración gran número sensores y actuadores en globo al final catéter. Cómo los interconectan?

Dr. Efimov: Pueden conectar directamente con alambres serpenteantes, permite flexibilidad, pero entonces tendrían cuello botella. Así que equipamos cada sensor y actuador con su propia circuitería. Si sensor, circuito amplificación, filtrado, multiplexado. Si actuador, multiplexado. Para sistemas alto throughput, multiplexado requerido. Futuro espero necesitemos cientos a miles sensores/actuadores, definitivamente requerirá multiplexado.

Tech Briefs: Qué tipo de actuadores usan?

Dr. Efimov: Para esta aplicación, solo eléctricos, ya sea para ablación RF o electroporación irreversible. Previamente escribimos sobre actuadores luz, p.ej., espectroscopía óptica. Actuador en ese dispositivo tendría LED y fotodiodo. LED emite luz longitud onda cierta, excita fluorescencia en moléculas dentro corazón y fotodiodo recoge fluorescencia. Da lectura varios procesos celulares corazón, p.ej., metabolismo. Así hay varios tipos sensores y actuadores.

Tech Briefs: Han probado en animales laboratorio?

Dr. Efimov: Proyecto previo, marcapasos miniatura sin batería, mostramos podíamos implantar en rata, que lo tenía mes o así, usado como cardioestimulador largo plazo.

Tech Briefs: ¿También probaron este dispositivo en ratas?

Dr. Efimov: Probamos dispositivo en un par de entornos, en corazones humanos explantados, no aceptables para trasplante, recibidos de organización local procuración órganos en Washington DC. Finalmente planeamos probar en humanos. Pero hicimos prueba en cerdos. No podemos probar estos catéteres en animales pequeños porque diseñados para tamaño corazón humano.

Tech Briefs: Tienen idea general cuándo comercialización?

Dr. Efimov: Diría seguro que 3-5 años buen número. Para startup clínica, necesitamos capital riesgo —ese nuestro siguiente paso.

Tech Briefs: ¿Y su trabajo previo en desfibriladores implantables?

Dr. Efimov: Mi meta reducir energía requerida para desfibrilación. Actualmente desfibriladores implantados en pecho para arritmias ventriculares o muerte súbita salvan vidas. Pero pueden disparar inapropiadamente cuando paciente consciente y es extremadamente doloroso. Gran energía entregada al pecho. Por dolor inducido por choque, no pueden usarse para pacientes con FA. Pacientes FA conscientes, a diferencia de pacientes en muerte súbita por fibrilación ventricular, ya inconscientes, para quienes es vida/muerte, así que no es sobre dolor.

Nuestro trabajo fue cambiar estrategia desfibrilación para hacerla sin dolor. Eso hice varios años. Ahora ensayos clínicos con tecnología desfibrilador implantable.

Tech Briefs: Parece su trabajo hará cambios mayores en tratamientos dolencias cardíacas.

Dr. Efimov: Creo sí. Lo que John Rogers lleva años como científico materiales —se tomó desarrollar tradición manufactura electrónica, materiales biológicamente compatibles: blandos, estirables, conformes, no causan inflamación. Todo este trabajo ahora fructifica en muchas áreas medicina. Interesado particularmente cardiología, pero también trabajo en neurología, interfaz cerebro-computadora, control muscular para daño nervioso, etc. Momento fantástico para bioelectrónica. Próximos 10-15 años increíblemente fantásticos!

Por ejemplo, soy parte comunidad fundada por NIH; programa SPARC, enfocado en cómo controlar nervios periféricos que controlan órganos periféricos para esencialmente controlar diferentes enfermedades. Sistemas simpático y parasimpático controlan todos órganos: corazón, pulmones, estómago, intestino, etc. Puede reducir carga muchas enfermedades, o incluso eliminar enfermedad, si controla nervios. Ahora construyendo interfaz que estimule y registre nervios simpáticos/parasimpáticos. También transformacional en muchas áreas medicina.

Tech Briefs: Suena ciencia ficción.

Dr. Efimov: Hace 10 años era ciencia ficción. De hecho, escribo otro grant ahora con colaboradores donde propuse usar palabra olvidada “cyborg” en título, porque es tanto cibernético como orgánico.

Versión editada de esta entrevista apareció en edición noviembre 2020 de Tech Briefs.