Perguntas e respostas:Eletrônicos leves tratam arritmias cardíacas

O professor Igor Efimov e uma equipe da George Washington University em Washington, DC - em colaboração com o laboratório do professor John Rogers da Northwestern University em Chicago, IL - são pioneiros em uma nova classe de instrumentos médicos que usa eletrônica flexível para melhorar os resultados dos pacientes em procedimentos minimamente invasivos. cirurgias.

Resumos técnicos: Como você começou este projeto?

Dra. Igor Efimov: Já faço pesquisas cardíacas há algum tempo. Comecei minha carreira como investigador independente na Cleveland Clinic, que tem uma longa cultura de inovação e teve muitos avanços importantes. Trabalhei lá com vários cardiologistas brilhantes e fui verdadeiramente transformado por essa experiência.

Meu trabalho foi focado em arritmia e tratamento de distúrbios do ritmo cardíaco. Uma segunda experiência importante ocorreu há cerca de sete ou oito anos. Eu estava procurando uma nova plataforma para implementar dispositivos médicos e me deparei com o trabalho de John Rogers, que estava fazendo avanços em materiais biologicamente compatíveis. Ele já havia trabalhado com alguns biólogos, principalmente no campo da neurociência. Convidei-o para colaborar comigo em cardiologia, e desde então trabalhamos muito juntos. Primeiro, criamos uma plataforma para eletrônica de órgão conformado. Em seguida, criamos uma plataforma para eletrônicos “inteligentes” – essencialmente dispositivos médicos equipados com seus próprios microcircuitos, que permitem processamento de sinal, amplificação, multiplexação e assim por diante. Nosso próximo projeto foi marcapassos implantáveis ​​sem bateria. Agora estamos trabalhando para torná-los reabsorvíveis pelo corpo para que possam ser absorvidos depois que não forem mais necessários.

Resumos técnicos: Como o dispositivo sem bateria é alimentado?

Dra. Efimov: O marcapasso tem uma antena que combina com uma antena externa. Você pode ter um circuito fora do seu corpo – embutido em sua roupa ou em um remendo vestível – que transmite energia e programação para a eletrônica implantada usando transferência de energia indutiva.

Por volta de 2013, projetamos um marcapasso que funcionava em um mouse. Mas, infelizmente, usamos um eletrodo de fio de prata que era tão rígido que resultou em danos ao músculo cardíaco, então tivemos uma mortalidade muito alta com nossos camundongos. Isso me deu a ideia de usar a eletrônica conformada suave que John havia projetado. Esse foi meu estímulo inicial – perguntei se ele poderia resolver meu problema, e ele o fez.

Nosso artigo mais recente fala sobre como criar um dispositivo para um cateter transvenoso percutâneo. Ele não será implantado, mas será inserido dentro do coração e navegado em direção a uma área de arritmia. Possui cinco funções diferentes com três tipos de sensores e atuadores que podem atender a duas funções diferentes. Esse tipo de multifuncional, multifísica, permite melhorar drasticamente a velocidade dos tratamentos ablativos. A ablação é uma tecnologia de ponta utilizada para o tratamento de distúrbios do ritmo cardíaco. 85% dos pacientes com fibrilação atrial (FA) ou taquicardia ventricular não podem ser tratados com medicamentos, então eles têm que conviver com essa doença. Isso, infelizmente, leva a um aumento dramático na taxa de acidente vascular cerebral e mortalidade. Só os EUA têm cerca de 5 milhões de pacientes com FA. Em todo o mundo, são cerca de 15 milhões e, em 2050, projeta-se que haverá 50 milhões de pessoas com fibrilação atrial devido ao aumento da expectativa de vida.

A ablação cardíaca é um procedimento que pode corrigir a fibrilação atrial, destruindo o tecido cardíaco que a está causando. Atualmente, o tratamento é feito através da inserção de diversas peças de ferragens. Um é usado para criar eletrogramas que mapeiam a arritmia gravando sinais elétricos do coração. Esses eletrogramas podem ser usados ​​para tentar entender a origem da arritmia. Outra peça de hardware pode ser inserida para fazer a ablação. A ablação significa que você essencialmente queima o tecido, usando corrente de RF, o que aumenta a temperatura do tecido para cerca de 55°C – 60°C [131°F – 140°F]. Como resultado, você mata as células responsáveis ​​pela arritmia e, com sorte, mata a FA. Como você está fazendo o procedimento de forma assíncrona, um para localização e outro para ablação, há muitas dificuldades técnicas para fazê-lo corretamente. Requer raios-x, porque quando você insere eletrodos, obviamente não tem linha de visão direta. A única maneira de ver o hardware dentro do coração e navegar corretamente é usar instantâneos de raios-X. Isso expõe o paciente e o médico a uma dose de radiação que não é totalmente segura. Nossa tecnologia pode reduzir a radiação combinando mapeamento e ablação em um único dispositivo. Você não precisa deslocar o dispositivo tantas vezes porque nosso dispositivo possui vários sensores e atuadores que cobrem uma grande área do coração. Você pode, portanto, mapear e fazer a ablação sem reposicionar repetidamente o cateter, o que reduzirá a exposição à radiação.

Existem algumas modalidades adicionais que normalmente não estão presentes em tais dispositivos de mapeamento:uma matriz de sensores de temperatura e outra de sensores de força. Essas duas matrizes fornecem leituras em tempo real. Os sensores de temperatura permitem que você monitore a temperatura durante a ablação, o que é crítico porque, se você não estiver na faixa de temperatura correta, a ablação falhará. Se você ultrapassar a meta de extinção em 100°C, será perigoso, porque você ferverá fluidos intersticiais e sangue e isso criará problemas como bolhas, que podem causar infarto e derrame. Então, você tem que ser muito preciso. A matriz de medição de força permite estabelecer que você tem um bom contato físico entre a matriz de ablação e o coração, o que é extremamente importante para a ablação, porque se você não tiver um bom contato, não importa quanta energia você aplique aos atuadores, eles não fornecerão a energia apropriada ao próprio coração.

A maneira como a ablação é feita agora é com um único cateter de um ponto, literalmente um fio que você insere dentro do coração, que você cutuca ponto a ponto. No nosso caso, teremos centenas de sensores cobrindo uma grande área do coração. Este contato muito crítico só pode ser estabelecido usando a medição de força. Você não pode, infelizmente, ver o coração com um raio-x porque é um tecido mole e o contato com o músculo cardíaco é muito pequeno. Assim, você pode ver o cateter com um raio-x, mas não o próprio coração.

Nosso dispositivo também nos permite fazer um tipo alternativo de ablação. Atualmente é feito principalmente por RF, que é chamado de ablação térmica porque a corrente de RF aumenta a temperatura. Alternativamente, podemos usar a crioablação, um procedimento amplamente utilizado, embora menos comum, onde você congela o coração.

Outro método que está surgindo agora é chamado de eletroporação irreversível, onde, em vez de queimar o tecido, você o eletrocuta com uma corrente alta que faz buracos nas membranas celulares e, assim, mata as células. Isso é feito em microssegundos, enquanto métodos térmicos como RF exigem alguns minutos para cozinhar o tecido para que ele possa matá-lo. A eletroporação irreversível está surgindo agora como uma tecnologia não térmica, embora ainda não tenha sido totalmente desenvolvida para aplicações cardíacas. No entanto, nosso dispositivo tem a capacidade de fazê-lo.

Resumindo:nosso dispositivo pode fazer ablação em vários locais - você não precisa mover um cateter. Você pode fazer a ablação de toda a área conforme necessário, com base no mapa de arritmia derivado do mesmo dispositivo. Isso é único - nunca foi feito antes, com mapeamento e ablação no mesmo dispositivo. Além disso, sensor térmico e de força para garantir a segurança.

Resumos técnicos: Uma pergunta:para eletroporação, a corrente passa pela célula?

Dra. Efimov: Sim, quando você aplica uma quantidade suficiente de energia estimulando tecidos ou células, você rompe a membrana porque a corrente flui através das membranas lipídicas, que normalmente não são condutoras. Eles consistem de gordura, essencialmente, que não é eletricamente condutora, mas se você aplicar energia suficiente, você porá a membrana e matará a célula.

A eletroporação reversível é outra aplicação, que usa um pouco menos de energia. É usado para a entrega de macromoléculas. Para a terapia genética, para citar um exemplo, você também tem que porar células, fazer buracos nelas, mas buracos suaves. E esses buracos se repararão posteriormente. Isso permite que você coloque macromoléculas dentro da célula, como pedaços de RNA ou proteínas ou algumas outras moléculas grandes. Estes não podem penetrar através da membrana de uma célula intacta, mas podem atravessar os poros criados pela corrente de eletroporação. Estamos planejando que nosso dispositivo seja usado para isso também. Então, se alguém precisar de terapia genética em alguma área do coração, podemos fornecer a corrente eletroporante e fornecer a terapia apropriada.

Resumos técnicos: Como você obtém energia de RF para o dispositivo e como obtém energia de RF suficiente para aquecimento?

Dra. Efimov: Boa pergunta. Isso mostra por que esse dispositivo não poderá ser realmente implantável. Nosso dispositivo é um cateter conectado com um cabo à eletrônica externa e é instrumentado em uma estrutura semelhante a um balão. Você faz uma incisão, abre uma veia, geralmente na região da virilha, e passa pela veia até o coração, mas está conectado por um cabo à eletrônica externa. Quando está no coração, você o desdobra, desembainha e toma forma. Ou você pode inserir soro fisiológico dentro do balão, e ele assume a forma apropriada. Embora entre em contato com o tecido, ele é rígido. É assim que você fornece energia suficiente. No momento, não conheço uma fonte de energia grande o suficiente para fornecer algo assim sem fio ou a partir de uma bateria.

Resumos técnicos: E o mesmo vale para a eletroporação?

Dra. Efimov: Sim, a eletroporação em particular requer energia ainda maior. Para este procedimento, no entanto, você não precisa de nada implantável. Centenas de milhares de pacientes por ano, só nos Estados Unidos, são submetidos a ablação por indicação de arritmia. Como eu disse, as drogas geralmente não funcionam, então a única maneira de você fazer algo a respeito é ablando. Para ablação, você insere o eletrodo, o paciente se deita em uma mesa e é levemente sedado. Você insere o cabo, faz o procedimento, retira as ferragens e aí o paciente vai para casa.

Mas estamos trabalhando em outro procedimento também. Na verdade, desenvolvi um dispositivo implantável para tratamento de fibrilação atrial ou ventricular com terapia de baixa energia, mas não fazemos ablação com esse dispositivo. Aplicamos uma sequência de pulsos de baixa energia para encerrar a arritmia. No entanto, os dispositivos implantáveis ​​têm requisitos muito mais rígidos porque você os deixará no corpo de um paciente por um longo tempo.

Resumos técnicos: Vi na sua ilustração que você tem um grande número de sensores e atuadores no balão na ponta do cateter. Como você os interconecta?

Dra. Efimov: Você pode conectar diretamente com fios serpentinos, o que permite flexibilidade, mas nesse caso, você teria um gargalo. Assim, equipamos cada sensor e atuador com seus próprios circuitos. Se for um sensor, temos um circuito para amplificação, filtragem e multiplexação. Se for um atuador, fazemos multiplexação. Se você está falando de sistemas de alto rendimento, a multiplexação é necessária. No futuro, espero que precisemos de centenas a milhares de sensores e atuadores, o que definitivamente exigirá multiplexação.

Resumos técnicos: Que tipos de atuadores você usa?

Dra. Efimov: Para esta aplicação, apenas elétrica, seja para ablação por RF ou para eletroporação irreversível. No entanto, anteriormente escrevemos sobre como poderíamos ter atuadores para luz, por exemplo, para espectroscopia óptica. Um atuador nesse tipo de dispositivo teria um LED e um fotodiodo. O LED emitirá luz de um determinado comprimento de onda, que excitará a fluorescência nas moléculas dentro do coração e o fotodiodo coletará essa fluorescência. Isso nos dará uma leitura de vários processos celulares no coração, por exemplo, metabolismo. Assim, existem vários tipos de sensores e atuadores.

Resumos técnicos: Você testou isso em animais de laboratório?

Dra. Efimov: Para nosso projeto anterior, onde desenvolvemos um marcapasso em miniatura sem bateria, mostramos que poderíamos implantá-lo em um rato, que poderia tê-lo por um mês ou mais, e usá-lo como um cardioestimulador a longo prazo.

Resumos técnicos: Então, você também testou este dispositivo em ratos?

Dra. Efimov: Testamos este dispositivo em algumas configurações, em corações humanos explantados, que não são aceitáveis ​​para transplante, que recebemos de nossa organização local de aquisição de órgãos em Washington DC. Em última análise, planejamos testá-lo em humanos. Mas fizemos um teste em porcos. Não podemos testar esses cateteres em pequenos animais porque eles são projetados para o tamanho do coração humano.

Resumos técnicos: Você tem uma ideia geral de quando isso pode ser comercializado?

Dra. Efimov: Eu diria com segurança que três a cinco anos é um bom número. Para uma startup clínica, precisamos obter capital de risco – esse é o nosso próximo passo.

Resumos técnicos: E quanto ao seu trabalho anterior sobre desfibriladores implantáveis?

Dra. Efimov: Meu objetivo era reduzir a quantidade de energia necessária para a desfibrilação. Atualmente, os desfibriladores, que são implantados no tórax humano para arritmias ventriculares ou morte súbita cardíaca, salvam vidas. Mas eles podem disparar de forma inadequada às vezes quando o paciente está consciente e isso é extremamente doloroso. É uma enorme quantidade de energia entregue ao peito. Por causa da dor induzida pelo choque, eles não podem ser usados ​​para pacientes com fibrilação atrial. Os pacientes com fibrilação atrial estão conscientes, diferentemente dos pacientes em estado de morte súbita cardíaca por fibrilação ventricular, que já estão inconscientes, e para quem é uma questão de vida ou morte, então para eles não se trata de dor.

Nosso trabalho foi sobre como mudar a estratégia de desfibrilação para torná-la indolor. Foi o que fiz durante vários anos. Estamos agora realizando ensaios clínicos com tecnologia de desfibrilador implantável.

Resumos técnicos: Parece-me que seu trabalho fará grandes mudanças nos tratamentos para doenças cardíacas.

Dra. Efimov: Eu penso que sim. O que John Rogers vem trabalhando há muitos anos como cientista de materiais - ele assumiu a responsabilidade de desenvolver toda uma tradição de fabricação de eletrônicos, de materiais que são biologicamente compatíveis:macios, elásticos, compatíveis e não causam inflamação. Todo esse trabalho está agora se concretizando em muitas áreas da medicina. Estou particularmente interessado em cardiologia, mas também há trabalho sendo feito em neurologia, interface cérebro-computador, controle muscular para pacientes com danos nos nervos e assim por diante. Então, este é um momento muito bom para estar no campo da bioeletrônica. Acho que os próximos dez a quinze anos serão incrivelmente fantásticos!

Por exemplo, faço parte de uma comunidade fundada pelo NIH; um programa chamado SPARC, que se concentra em como controlar os nervos periféricos que controlam os órgãos periféricos para controlar essencialmente diferentes doenças. Os sistemas nervosos simpático e parassimpático controlam todos os órgãos do corpo:coração, pulmões, estômago, intestino e assim por diante. Você pode reduzir a carga de muitas doenças, ou até mesmo eliminar uma doença, se puder controlar os nervos. Estamos agora trabalhando na construção de uma interface que será capaz de estimular os nervos simpáticos e parassimpáticos e também registrá-los. Isso também será transformador em muitas áreas da medicina.

Resumos técnicos: Parece ficção científica para mim.

Dra. Efimov: Dez anos atrás, era ficção científica. Na verdade, estou escrevendo outra bolsa agora junto com alguns colaboradores para os quais propus usar a palavra agora esquecida “ciborgue” no título, porque é tanto cibernética quanto orgânica.

Uma versão editada desta entrevista foi publicada na edição de novembro de 2020 do Tech Briefs.