Revolucionando Cuidados Cardíacos: Eletrônica Flexível para Tratamento de Arritmias

Professor Igor Efimov e uma equipe na Universidade George Washington em Washington, DC — em colaboração com o laboratório do Professor John Rogers da Universidade Northwestern em Chicago, IL — estão pioneirando uma nova classe de instrumentos médicos que usa eletrônica flexível para melhorar resultados de pacientes em cirurgias minimamente invasivas.

Tech Briefs: Como você começou neste projeto?

Dr. Igor Efimov: Faço pesquisa cardíaca há algum tempo. Comecei minha carreira como investigador independente na Clínica Cleveland, que tem uma longa cultura de inovação e teve muitos avanços importantes. Trabalhei com vários cardiologistas brilhantes lá e fui verdadeiramente transformado por aquela experiência.

Meu trabalho foi focado em arritmia e tratamento de distúrbios de ritmo cardíaco. Uma segunda experiência importante foi há cerca de sete ou oito anos. Eu estava procurando uma nova plataforma para implementar dispositivos médicos e encontrei o trabalho de John Rogers, que estava fazendo avanços em materiais biocompatíveis. Ele já tinha trabalhado com alguns biólogos, principalmente na área de neurociência. Convidei-o para colaborar comigo em cardiologia, e fizemos muito trabalho juntos desde então. Primeiro, criamos uma plataforma para eletrônica conformal a órgãos. Depois fomos em frente e criamos uma plataforma para eletrônica “inteligente” — essencialmente dispositivos médicos equipados com sua própria microcircuitaria, que permite processamento de sinal, amplificação, multiplexação, e assim por diante. Nosso próximo projeto foi marcapassos implantáveis sem bateria. Agora estamos trabalhando para torná-los bioabsorvíveis para que possam ser absorvidos depois que não são mais necessários.

Tech Briefs: Como o dispositivo sem bateria é alimentado?

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

Por volta de 2013, tínhamos desenhado um marcapasso que funcionava em camundongo. Mas infelizmente, usamos um eletrodo de fio de prata que era tão rígido que resultou em dano ao músculo cardíaco, então tivemos mortalidade muito alta com nossos camundongos. Isso me deu a ideia de usar a eletrônica conformal suave que John tinha desenhado. Esse foi meu estímulo inicial — perguntei a ele se ele podia resolver meu problema, e ele fez.

Nosso artigo mais recente fala sobre como criar um dispositivo para cateter transvenoso percutâneo. Não será implantado, mas será inserido dentro do coração e navegado em direção a uma área de arritmia. Tem cinco funções diferentes com três tipos de sensores e atuadores que podem servir duas funções diferentes. Este tipo de multifuncional, multifísico permite melhorar dramaticamente a velocidade de tratamentos ablativos. Ablação é uma tecnologia de ponta usada para tratamento de distúrbios de ritmo cardíaco. 85% dos pacientes com fibrilação atrial (FA) ou taquicardia ventricular não podem ser tratados com medicamentos, então têm que viver com esta doença. Isso, infelizmente, leva a aumento dramático em taxa de acidente vascular cerebral e mortalidade. Só os EUA têm cerca de 5 milhões de pacientes com FA. No mundo, são cerca de 15 milhões, e projetado para 2050 haverá 50 milhões de pessoas com fibrilação atrial por causa do aumento da expectativa de vida.

Ablação cardíaca é um procedimento que pode corrigir fibrilação atrial destruindo o tecido cardíaco que a está causando. Atualmente, tratamento é feito inserindo várias peças de hardware. Uma é usada para criar eletrogramas que mapeiam a arritmia registrando sinais elétricos do coração. Esses eletrogramas podem ser usados para tentar entender a fonte da arritmia. Outra peça de hardware pode então ser inserida para fazer a ablação. Ablação significa que você essencialmente queima o tecido, usando corrente RF, que aumenta a temperatura do tecido a cerca de 55°C – 60°C [131°F – 140°F]. Como resultado, você mata as células responsáveis pela arritmia e espera matar a FA. Como você está fazendo o procedimento assincronamente, um para localização e o outro para ablação, há muitas dificuldades técnicas para fazer isso propriamente. Requer raios-X, porque quando você insere eletrodos você obviamente não tem linha de visão direta. A única maneira de ver hardware dentro do coração e navegar propriamente, é usar instantâneos de raios-X. Isso expõe o paciente e o médico a uma dose de radiação que não é inteiramente segura. Nossa tecnologia pode reduzir a radiação combinando mapeamento e ablação em um dispositivo. Você não precisa deslocar o dispositivo tantas vezes porque nosso dispositivo tem numerosos sensores e atuadores que cobrem uma grande área do coração. Você pode portanto mapear e ablar sem reposicionar repetidamente o cateter, o que reduzirá exposição à radiação.

Existem alguns modos adicionais que não estão tipicamente presentes em tais dispositivos de mapeamento: uma matriz de sensores de temperatura, e outra de sensores de força. Estas duas matrizes dão leituras em tempo real. Os sensores de temperatura permitem monitorar temperatura enquanto você abla, o que é crítico porque se você não está na faixa de temperatura correta, a ablação falhará. Se você exceder o objetivo de extinção por 100°C, será perigoso, porque você ferverá fluidos intersticiais e sangue e isso criará problemas como bolhas, que podem causar infarto e acidente vascular cerebral. Então, você tem que ser muito preciso. A matriz de medição de força permite estabelecer que você tem bom contato físico entre a matriz de ablação e o coração, o que é criticamente importante para ablação, porque se você não tem bom contato, não importa quanta energia você aplique aos atuadores, eles não entregarão a energia apropriada ao próprio coração.

A forma como ablação é feita agora, é com um cateter de ponto único, literalmente um fio que você insere dentro do coração, que você cutuca ponto por ponto. No nosso caso, teremos centenas de sensores cobrindo uma grande área do coração. Este contato muito crítico só pode ser estabelecido usando medição de força. Você não pode, infelizmente, ver o coração com raio-X porque é tecido mole e o contato com o músculo cardíaco é muito pequeno. Então, você pode ver o cateter com 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 ablação térmica porque corrente RF aumenta a temperatura. Alternativamente, podemos usar crioablação, um procedimento amplamente usado, embora menos comum, onde você congela o coração.

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

Para resumir: nosso dispositivo pode fazer ablação em múltiplas localizações — você não precisa mover um cateter ao redor. Você pode ablar a área toda conforme necessário, baseado no mapa de arritmia derivado do mesmo dispositivo. Isso é único — não foi feito antes, ter mapeamento e ablação no mesmo dispositivo. Mais, sensoriamento térmico e de força para garantir segurança.

Tech Briefs: Uma pergunta: Para eletroporação, a corrente passa através da célula?

Dr. Efimov: Sim, quando você aplica uma quantidade suficiente de energia estimulando tecido ou células, você disrompe a membrana porque a corrente flui através de membranas lipídicas, que são tipicamente não condutivas. Elas consistem de gordura, essencialmente, que não é eletricamente condutiva, mas se você aplicar energia suficiente você porará a membrana e matará a célula.

Eletroporação reversível é outra aplicação, que usa energia ligeiramente menor. É usada para entrega de macromoléculas. Para terapia gênica, para citar um exemplo, você também tem que porar células, fazer buracos nelas, mas buracos leves. E aqueles buracos se repararão subsequentemente. Isso permite colocar macromoléculas dentro da célula, como pedaços de RNA ou proteínas ou outras moléculas grandes. Estas não podem penetrar através da membrana de uma célula intacta, mas podem passar pelos poros criados pela corrente eletroporante. Estamos planejando que nosso dispositivo seja usado para isso também. Então, se alguém precisa terapia gênica em alguma área do coração, podemos entregar a corrente eletroporante e fornecer terapia apropriada.

Tech Briefs: Como você coloca a potência RF no dispositivo e como obtém potência RF suficiente para aquecimento?

Dr. Efimov: Boa pergunta. Mostra por que este dispositivo não poderá ser realmente implantável. Nosso dispositivo é um cateter conectado com cabo à eletrônica externa e instrumentado em uma estrutura semelhante a balão. Você faz uma incisão, abre uma veia, geralmente na região da virilha, e vai através da veia até o coração, mas é conectado por cabo à eletrônica externa. Quando está no coração você o implanta, você o desvane, e ele toma forma. Ou você pode inserir salina dentro do balão, e ele toma a forma apropriada. Embora entre em contato com tecido, é hard-wired. É assim que você entrega energia suficiente. Agora, não conheço fonte de energia grande o suficiente para entregar algo assim sem fio ou de bateria.

Tech Briefs: E o mesmo é verdade para eletroporação?

Dr. Efimov: Sim, 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 apenas nos Estados Unidos, são ablados para indicação de arritmia. Como disse, medicamentos geralmente não funcionam, então a única maneira de fazer algo sobre isso, é ablar. Para ablação, você insere o eletrodo, o paciente deita em uma mesa e é levemente sedado. Você insere o cabo, faz o procedimento, remove o hardware, e então o paciente vai para casa.

Mas estamos trabalhando em outro procedimento também. De fato, desenvolvi um dispositivo implantável para tratamento de fibrilação atrial ou ventricular com terapia de energia mais baixa, mas não ablamos com este dispositivo. Aplicamos uma sequência de pulsos em baixa energia para terminar a arritmia. No entanto, dispositivos implantáveis têm requisitos muito mais apertados porque você vai deixá-los no corpo de um paciente por um longo tempo.

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

Dr. Efimov: Você pode conectar diretamente com fios serpenteantes, que permitem flexibilidade, mas nesse caso, você teria um gargalo. Então, equipamos cada sensor e atuador com sua própria circuitaria. Se é um sensor, temos circuito para amplificação, filtragem e multiplexação. Se é um atuador, fazemos multiplexação. Se você está falando de sistemas de alta vazão, multiplexação é requerida. No futuro, espero que precisaremos de centenas a milhares de sensores e atuadores, então isso definitivamente requererá multiplexação.

Tech Briefs: Que tipos de atuadores você usa?

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

Tech Briefs: Vocês testaram isso em animais de laboratório?

Dr. Efimov: Para nosso projeto anterior, onde desenvolvemos um marcapasso miniatura sem bateria, mostramos que podíamos implantá-lo em um rato, que podia tê-lo por um mês ou mais, e usá-lo como estimulador cardíaco de longo prazo.

Tech Briefs: Então, vocês também testaram este dispositivo em ratos?

Dr. Efimov: Testamos este dispositivo em alguns cenários, 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 animais pequenos porque são desenhados para o tamanho do coração humano.

Tech Briefs: Vocês têm alguma ideia geral de quando isso pode ser comercializado?

Dr. Efimov: Diria seguramente que três a cinco anos é um bom número. Para uma startup clínica, precisamos obter capital de risco — esse é nosso próximo passo.

Tech Briefs: E sobre seu trabalho anterior em desfibriladores implantáveis?

Dr. Efimov: Meu objetivo era reduzir a quantidade de energia requerida para desfibrilação. Atualmente, desfibriladores, que são implantados no peito humano para arritmias ventriculares ou morte cardíaca súbita, salvam vidas. Mas eles podem disparar inapropriadamente 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. Pacientes com fibrilação atrial estão conscientes, diferente de pacientes no estado de morte cardíaca súbita devido a fibrilação ventricular, que já estão inconscientes, e para quem é questão de vida ou morte, então para eles, não é sobre dor.

Nosso trabalho foi sobre como mudar a estratégia de desfibrilação para torná-la livre de dor. É o que fiz por vários anos. Estamos agora conduzindo ensaios clínicos com tecnologia de desfibrilador implantável.

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

Dr. Efimov: Acho que sim. O que John Rogers tem trabalhado por muitos anos como cientista de materiais — ele assumiu sobre si desenvolver toda uma tradição de fabricação para eletrônica, de materiais que são biologicamente compatíveis: suaves, elásticos, conformais, e não causam inflamação. Todo este trabalho está agora vindo à frutificação em muitas áreas da medicina. Estou particularmente interessado em cardiologia, mas também há trabalho sendo feito em neurologia, interface cérebro-computador, em controle muscular para pacientes com dano nervoso, e assim por diante. Então, este é um momento realmente bom para estar no campo de bioeletrônica. Acho que os próximos dez a quinze anos serão incrivelmente fantásticos!

Por exemplo, sou parte de uma comunidade fundada pelo NIH; um programa chamado SPARC, que está focando em como controlar nervos periféricos que controlam órgãos periféricos para essencialmente controlar diferentes doenças. Os sistemas nervosos simpático e parassimpático controlam todos os órgãos no corpo: coração, pulmões, estômago, intestino, e assim por diante. Você pode reduzir o fardo de muitas doenças, ou até eliminar uma doença, se puder controlar os nervos. Estamos agora trabalhando em construir uma interface que será capaz de estimular nervos simpáticos e parassimpáticos e também registrá-los. Isso também será transformacional em muitas áreas da medicina.

Tech Briefs: Parece ficção científica para mim.

Dr. Efimov: Dez anos atrás, era ficção científica. De fato, estou escrevendo outra bolsa agora junto com alguns colaboradores para a qual propus usar a palavra agora esquecida “cyborg” no título, porque é tanto cibernética quanto orgânica.

Uma versão editada desta entrevista apareceu na edição de novembro de 2020 da Tech Briefs.