Preguntas y respuestas:Los dispositivos electrónicos blandos tratan las arritmias cardíacas

El profesor Igor Efimov y un equipo de la Universidad George Washington en Washington, DC, en colaboración con el laboratorio del profesor John Rogers de la Universidad Northwestern en Chicago, IL, son pioneros en una nueva clase de instrumentos médicos que utilizan electrónica flexible para mejorar los resultados de los pacientes en procedimientos mínimamente invasivos. cirugías.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo empezaste en este proyecto?

Dra. Ígor Efimov: He hecho investigaciones cardíacas desde hace bastante tiempo. Comencé mi carrera como investigador independiente en la Clínica Cleveland, que tiene una larga cultura de innovación y ha tenido muchos avances importantes. Trabajé con varios cardiólogos brillantes allí y esa experiencia realmente me transformó.

Mi trabajo se centró en la arritmia y el tratamiento de los trastornos del ritmo cardíaco. Una segunda experiencia importante fue hace unos siete u ocho años. Estaba buscando una nueva plataforma para implementar dispositivos médicos y me encontré con el trabajo de John Rogers, que estaba haciendo avances en materiales biológicamente compatibles. Ya había trabajado con algunos biólogos, principalmente en el campo de la neurociencia. Lo invité a colaborar conmigo en cardiología y desde entonces hemos trabajado mucho juntos. Primero, creamos una plataforma para la electrónica de conformidad de órganos. Luego continuamos y creamos una plataforma para la electrónica "inteligente", esencialmente dispositivos médicos equipados con su propio microcircuito, que permite el procesamiento de señales, la amplificación, la multiplexación, etc. Nuestro próximo proyecto fueron los marcapasos implantables sin batería. Ahora estamos trabajando para hacerlos reabsorbibles por el cuerpo para que puedan ser absorbidos cuando ya no se necesiten.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo se alimenta el dispositivo sin batería?

Dra. Efímov: El marcapasos tiene una antena que coincide con una antena externa. Podría tener un circuito fuera de su cuerpo, incrustado en su ropa o en un parche portátil, que transmite energía y programación a la electrónica implantada mediante la transferencia de energía inductiva.

Aproximadamente en 2013 habíamos diseñado un marcapasos que funcionaba en un ratón. Pero desafortunadamente, usamos un electrodo de alambre de plata que era tan rígido que dañó el músculo cardíaco, por lo que tuvimos una mortalidad muy alta con nuestros ratones. Eso me dio la idea de usar la electrónica conformada suave que John había diseñado. Ese fue mi estímulo inicial:le pregunté si podía resolver mi problema y lo hizo.

Nuestro artículo más reciente habla sobre cómo crear un dispositivo para un catéter transvenoso percutáneo. No se implantará, sino que se insertará dentro del corazón y se navegará hacia un área de arritmia. Tiene cinco funciones diferentes con tres tipos de sensores y actuadores que pueden cumplir dos funciones diferentes. Este tipo de multifísica multifuncional le permite mejorar drásticamente la velocidad de los tratamientos ablativos. La ablación es una tecnología de punta utilizada para el tratamiento de los trastornos del ritmo cardíaco. El 85% de los pacientes con fibrilación auricular (FA) o taquicardia ventricular no pueden ser tratados con fármacos, por lo que tienen que vivir con esta enfermedad. Eso, desafortunadamente, conduce a un aumento dramático en la tasa de accidentes cerebrovasculares y la mortalidad. Solo en los EE. UU. hay alrededor de 5 millones de pacientes con FA. En todo el mundo, son unos 15 millones, y para 2050 se prevé que habrá 50 millones de personas con fibrilación auricular debido al aumento de la esperanza de vida.

La ablación cardíaca es un procedimiento que puede corregir la fibrilación auricular al destruir el tejido cardíaco que la está causando. Actualmente, el tratamiento se realiza mediante la inserción de varias piezas de hardware. Uno se usa para crear electrogramas que mapean la arritmia mediante el registro de señales eléctricas del corazón. Estos electrogramas se pueden utilizar para tratar de comprender el origen de la arritmia. Luego se puede insertar otra pieza de hardware para hacer la ablación. La ablación significa esencialmente quemar el tejido, usando corriente RF, lo que aumenta la temperatura del tejido a alrededor de 55 °C a 60 °C [131 °F a 140 °F]. Como resultado, matas las células responsables de la arritmia y, con suerte, matas a la FA. Debido a que estás haciendo el procedimiento de forma asincrónica, uno para la ubicación y otro para la ablación, hay muchas dificultades técnicas para hacerlo correctamente. Requiere rayos X, porque cuando insertas electrodos obviamente no tienes una línea de visión directa. La única forma en que puede ver el hardware dentro del corazón y navegar correctamente es usar instantáneas de rayos X. Esto expone al paciente y al médico a una dosis de radiación que no es del todo segura. Nuestra tecnología puede reducir la radiación al combinar el mapeo y la ablación en un solo dispositivo. No es necesario desplazar el dispositivo tantas veces porque nuestro dispositivo tiene numerosos sensores y actuadores que cubren una gran área del corazón. Por lo tanto, puede mapear y realizar la ablación sin tener que reposicionar repetidamente el catéter, lo que reducirá la exposición a la radiación.

Hay un par de modalidades adicionales que normalmente no están presentes en tales dispositivos de mapeo:una matriz de sensores de temperatura y otra de sensores de fuerza. Estas dos matrices le brindan lecturas en tiempo real. Los sensores de temperatura le permiten monitorear la temperatura a medida que realiza la ablación, lo cual es fundamental porque si no se encuentra en el rango de temperatura correcto, la ablación fallará. Si supera la meta de extinción en 100°C, será peligroso, porque hervirá los fluidos intersticiales y la sangre y esto creará problemas como burbujas, que pueden causar infartos y derrames cerebrales. Entonces, tienes que ser muy preciso. La matriz de medición de fuerza le permite establecer que tiene un buen contacto físico entre la matriz de ablación y el corazón, lo cual es de vital importancia para la ablación, porque si no tiene un buen contacto, no importa cuánta energía aplique a los actuadores, no entregarán la energía adecuada al corazón mismo.

La forma en que se realiza la ablación ahora es con un solo catéter de un punto, literalmente un cable que se inserta dentro del corazón, que se pincha punto por punto. En nuestro caso, tendremos cientos de sensores que cubren una gran área del corazón. Este contacto tan crítico solo se puede establecer utilizando la medición de fuerza. Lamentablemente, no se puede ver el corazón con una radiografía porque es un tejido blando y el contacto con el músculo cardíaco es muy pequeño. Entonces, puede ver el catéter con una radiografía, pero no el corazón en sí.

Nuestro dispositivo también nos permite hacer un tipo alternativo de ablación. Actualmente se realiza principalmente por RF, lo que se denomina ablación térmica porque la corriente de RF aumenta la temperatura. Alternativamente, podemos usar la crioablación, un procedimiento ampliamente utilizado, aunque menos común, en el que se congela el corazón.

Otro método emergente ahora se llama electroporación irreversible, donde en lugar de quemar el tejido, lo descargas con una alta corriente que perfora las membranas celulares y, por lo tanto, mata las células. Se hace en microsegundos, mientras que los métodos térmicos como la radiofrecuencia requieren unos minutos para cocinar el tejido y matarlo. La electroporación irreversible ahora está emergiendo como una tecnología no térmica, aunque aún no se ha desarrollado completamente para aplicaciones cardíacas. Sin embargo, nuestro dispositivo tiene la capacidad de hacerlo.

En resumen:nuestro dispositivo puede realizar la ablación en múltiples ubicaciones; no necesita mover un catéter. Puede realizar la ablación de toda el área según lo necesite, según el mapa de arritmia derivado del mismo dispositivo. Esto es único:no se ha hecho antes, tener mapeo y ablación en el mismo dispositivo. Además, sensores térmicos y de fuerza para garantizar la seguridad.

Resúmenes técnicos: Una pregunta:para la electroporación, ¿pasa la corriente por la celda?

Dra. Efímov: Sí, cuando aplica una cantidad suficiente de energía estimulando tejidos o células, rompe la membrana porque la corriente fluye a través de las membranas lipídicas, que normalmente no son conductoras. Consisten esencialmente en grasa, que no es eléctricamente conductora, pero si aplica suficiente energía, perforará la membrana y matará la célula.

La electroporación reversible es otra aplicación que utiliza un poco menos de energía. Se utiliza para la entrega de macromoléculas. Para la terapia génica, por citar un ejemplo, también hay que porar células, hacer agujeros en ellas, pero agujeros leves. Y esos agujeros se repararán solos posteriormente. Esto le permite colocar macromoléculas dentro de la célula, como fragmentos de ARN o proteínas u otras moléculas grandes. Estos no pueden penetrar a través de la membrana de una célula intacta, pero pueden atravesar los poros creados por la corriente de electroporación. Estamos planeando que nuestro dispositivo también se use para eso. Entonces, si alguien necesita terapia génica en alguna área del corazón, podemos administrar la corriente de electroporación y proporcionar la terapia adecuada.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo obtiene la potencia de RF en el dispositivo y cómo obtiene suficiente potencia de RF para calentar?

Dra. Efímov: Buena pregunta. Muestra por qué este dispositivo no podrá ser realmente implantable. Nuestro dispositivo es un catéter conectado con un cable a la electrónica exterior y está instrumentado sobre una estructura tipo globo. Haces una incisión, abres una vena, generalmente en el área de la ingle, y atraviesas la vena hasta el corazón, pero está conectado por un cable a la electrónica externa. Cuando está en el corazón lo despliegas, lo desenvainas y toma forma. O puede insertar solución salina dentro del globo y toma la forma apropiada. Aunque entra en contacto con el tejido, está cableado. Así es como entregas suficiente energía. En este momento, no conozco una fuente de energía lo suficientemente grande como para entregar algo así de forma inalámbrica o desde una batería.

Resúmenes técnicos: ¿Y es lo mismo cierto para la electroporación?

Dra. Efímov: Sí, la electroporación en particular requiere incluso más energía. Para este procedimiento, sin embargo, no necesita nada implantable. Cientos de miles de pacientes al año solo en los Estados Unidos son sometidos a ablación por una indicación de arritmia. Como dije, los medicamentos generalmente no funcionan, por lo que la única forma en que puede hacer algo al respecto es mediante la ablación. Para la ablación, inserta el electrodo, el paciente se acuesta en una mesa y está ligeramente sedado. Insertas el cable, haces el procedimiento, quitas el hardware y luego el paciente se va a casa.

Pero también estamos trabajando en otro procedimiento. De hecho, he desarrollado un dispositivo implantable para el tratamiento de la fibrilación auricular o ventricular con terapia de baja energía, pero no hacemos ablación con este dispositivo. Aplicamos una secuencia de pulsos a baja energía para acabar con la arritmia. Sin embargo, los dispositivos implantables tienen requisitos mucho más estrictos porque los dejará en el cuerpo de un paciente durante mucho tiempo.

Resúmenes técnicos: Vi en su ilustración que tiene una gran cantidad de sensores y actuadores en el globo al final del catéter. ¿Cómo los interconectas?

Dra. Efímov: Puede conectarse directamente con cables serpenteantes, lo que permite flexibilidad, pero en ese caso, tendría un cuello de botella. Por lo tanto, equipamos cada sensor y actuador con su propio circuito. Si es un sensor, tenemos un circuito de amplificación, filtrado y multiplexación. Si es un actuador, hacemos multiplexación. Si está hablando de sistemas de alto rendimiento, se requiere multiplexación. En el futuro, espero que necesitemos desde cientos hasta miles de sensores y actuadores, por lo que definitivamente requerirá multiplexación.

Resúmenes técnicos: ¿Qué tipo de actuadores utiliza?

Dra. Efímov: Para esta aplicación, solo eléctrica, ya sea para ablación de RF o para electroporación irreversible. Sin embargo, anteriormente escribimos sobre cómo podríamos tener actuadores para la luz, por ejemplo, para espectroscopia óptica. Un actuador en ese tipo de dispositivo tendría un LED y un fotodiodo. El LED emitirá luz de una determinada longitud de onda, que excitará la fluorescencia en las moléculas dentro del corazón y el fotodiodo recogerá esa fluorescencia. Eso nos dará una lectura de varios procesos celulares en el corazón, por ejemplo, el metabolismo. Entonces, hay varios tipos de sensores y actuadores.

Resúmenes técnicos: ¿Has probado esto en animales de laboratorio?

Dra. Efímov: Para nuestro proyecto anterior, en el que desarrollamos un marcapasos en miniatura sin batería, demostramos que podíamos implantarlo en una rata, que podría tenerlo durante aproximadamente un mes, y usarlo como cardioestimulador a largo plazo.

Resúmenes técnicos: Entonces, ¿también has probado este dispositivo en ratas?

Dra. Efímov: Probamos este dispositivo en un par de entornos, en corazones humanos explantados, que no son aceptables para el trasplante, que recibimos de nuestra organización local de obtención de órganos en Washington DC. En última instancia, planeamos probarlo en humanos. Pero hicimos una prueba en cerdos. No podemos probar estos catéteres en animales pequeños porque están diseñados para el tamaño del corazón humano.

Resúmenes técnicos: ¿Tiene alguna idea general de cuándo podría comercializarse?

Dra. Efímov: Diría con seguridad que de tres a cinco años es un buen número. Para una nueva empresa clínica, necesitamos obtener capital de riesgo, ese es nuestro siguiente paso.

Resúmenes técnicos: ¿Qué pasa con su trabajo anterior sobre desfibriladores implantables?

Dra. Efímov: Mi objetivo era reducir la cantidad de energía necesaria para la desfibrilación. Actualmente, los desfibriladores, que se implantan en el tórax humano para las arritmias ventriculares o la muerte súbita cardíaca, salvan vidas. Pero a veces pueden dispararse de manera inapropiada cuando el paciente está consciente y eso es extremadamente doloroso. Es una gran cantidad de energía entregada al pecho. Debido al dolor inducido por la descarga, no se pueden utilizar en pacientes con fibrilación auricular. Los pacientes con fibrilación auricular están conscientes, a diferencia de los pacientes en estado de muerte súbita cardiaca por fibrilación ventricular, que ya están inconscientes, y para quienes es una cuestión de vida o muerte, por lo que para ellos no se trata de dolor.

Nuestro trabajo consistía en cómo cambiar la estrategia de desfibrilación para hacerla sin dolor. Eso es lo que hice durante varios años. Ahora estamos realizando ensayos clínicos con tecnología de desfibrilador implantable.

Resúmenes técnicos: Me parece que su trabajo supondrá cambios importantes en los tratamientos para las enfermedades del corazón.

Dra. Efímov: Creo que sí. En lo que John Rogers ha estado trabajando durante muchos años como científico de materiales:se encargó de desarrollar toda una tradición de fabricación de productos electrónicos, de materiales que son biológicamente compatibles:suaves, estirables, compatibles y que no causan inflamación. Todo este trabajo ahora está dando sus frutos en muchas áreas de la medicina. Estoy particularmente interesado en cardiología, pero también se está trabajando en neurología, interfaz cerebro-computadora, control muscular para pacientes con daño nervioso, y así sucesivamente. Entonces, este es un muy buen momento para estar en el campo de la bioelectrónica. ¡Creo que los próximos diez o quince años serán increíblemente fantásticos!

Por ejemplo, soy parte de una comunidad fundada por NIH; un programa llamado SPARC, que se enfoca en cómo controlar los nervios periféricos que controlan los órganos periféricos para controlar esencialmente diferentes enfermedades. Los sistemas nerviosos simpático y parasimpático controlan todos los órganos del cuerpo:corazón, pulmones, estómago, intestino, etc. Puede reducir la carga de muchas enfermedades, o incluso eliminar una enfermedad, si puede controlar los nervios. Ahora estamos trabajando en la construcción de una interfaz que podrá estimular los nervios simpáticos y parasimpáticos y también registrarlos. Esto también será transformador en muchas áreas de la medicina.

Resúmenes técnicos: Me suena a ciencia ficción.

Dra. Efímov: Hace diez años, era ciencia ficción. De hecho, estoy escribiendo otra subvención en este momento junto con un par de colaboradores para los que propuse usar la palabra ahora olvidada "cyborg" en el título, porque es a la vez cibernético y orgánico.

Una versión editada de esta entrevista apareció en la edición de noviembre de 2020 de Tech Briefs.